High-density multifunctional neural probes for massively parallel read-out and control

Il progetto in cui ho preso un ruolo attivo è stato focalizzato sulla fabbricazione e caratterizzazione di microsistemi che possono essere impiantati nella corteccia del cervello per poter stimolare e studiare la risposta neurale, ad esempio tramite trasporto di composti chimici in queste zone del cervello o illuminando dei neuroni geneticamente modificati al fine di attivarli o inibirli con lo scopo di poter misurare il segnale attivato da queste eccitazioni. In una prima fase è stato essenziale uno studio di articoli di letteratura per poter capire l’interesse che c’è dietro tali progetti nel campo della medicina e per conoscere come funziona il nostro cervello. Questo studio di letteratura è stato utile per poter capire le differenti tecniche utilizzate per registrare i segnali neurali e per quale motivo queste sonde neurali possono essere vantaggiose nonostante siano invasive rispetto ad altre tecniche. In fine, ho dovuto comprendere le differenti tecniche e step di fabbricazioni necessari per poter rilasciare queste sonde neurali optoelettroniche. In una seconda fase ho lavorato sulla fabbricazione di queste sonde usando diversi strumenti disponibili nella cleanroom del laboratorio: deposizione di SiO2 utilizzando Plasma-Enhanced Chemical Vapour Deposition, etching di strati di SiO2 e Si3N4 utilizzando rispettivamente CCP e RIE, etching del silicio utilizzando Inductively-Coupling Plasma. Una volta terminate la fase di fabbricazione è stato necessario caratterizzare otticamente il dispositivo tramite la misura della densità di potenza irradiata dalla componente ottica della sonda. Lo scopo di questa è vedere se la potenza in uscita è sufficiente per attivare o inibire i neuroni geneticamente modificati nel cervello dei topi (la densità di potenza richiesta è dell’ordine di 1.50mW/mm²). Al fine di fare ciò, ho utilizzato un laser a lunghezza d’onda variabile connesso ad una fibra ottica; questa fibra ottica è stata poi avvicinata alla guida d’onda nella sonda per poi ottenere l’allineamento tra le due. La densità di potenza ottenuta in questo modo non era sufficiente così è stato necessario usare una fibra diversa che potesse garantire un buon accoppiamento tra questa e guida d’onda. Questo tipo di fibra ha permesso l’aumento della densità di potenza irradiata di 10 volte riducendo così le perdite di accoppiamento fibra e guida d’onda. Dopo una fase di test dei componenti ottici le fiber sono state incollate alla guida d’onda per poterle inserire nella corteccia del cervello. Inizialmente questa fase di incollaggio è stata difficile a causa di una mancanza di contatto meccanico tra fibra e sonda. Per questo abbiamo scelto di sviluppare un nuovo approccio con scavi a V nelle sonde per poter inserire le fiber al’interno e aumentare il contatto meccanico. Tale design è stato sviluppato utilzizando il software L-edit®. In seguito alla realizzazione della nuova maschera per scavi a V sono stati realizzate nuove sonde neurali su un nuovo wafer. Tuttavia, dopo averle rilasciate, abbiamo notato un importante scavo eccessivo in fase di etching che ha portato a delle sonde estremamente sottili e che potrebbero avere degli interessanti riscontri in termini di bassa invasività durante l’impiantazione nel cervello: per il futuro sarà interessante vedere se è effettivamente possibile inserirle nel cervello dei topi senza che vi sia una rottura del dispositivo. Inoltre con questo nuovo design è possibile incollare più facilmente le fiber.