Fast-scan cyclic voltammetry (FSCV) is an electrochemical sensing technique that can be used for neurochemical sensing with high spatiotemporal resolution. Carbon fiber microelectrodes (CFMEs) are traditionally used as FSCV sensors. However, CFMEs are prone to electrochemical fouling caused by oxidative byproducts of repeated serotonin (5-HT) exposure, which makes them less suitable as chronic 5-HT sensors. Our team is developing a boron-doped diamond microelectrode (BDDME) that has previously been shown to be relatively resistant to fouling caused by protein adsorption (biofouling). We sought to determine if this BDDME exhibits resistance to electrochemical fouling, which we explored on electrodes fabricated with either femtosecond laser cutting or physical cleaving. We recorded the oxidation current response after 25 repeated injections of 5-HT in a flow-injection cell and compared the current drop from the first with the last injection. The 5-HT responses were compared with dopamine (DA), a neurochemical that is known to produce minimal fouling oxidative byproducts and has a stable repeated response. Physical cleaving of the BDDME yielded a reduction in fouling due to 5-HT compared with the CFME and the femtosecond laser cut BDDME. However, the femtosecond laser cut BDDME exhibited a large increase in sensitivity over the cleaved BDDME. An extended stability analysis was conducted for all device types following 5-HT fouling tests. This analysis demonstrated an improvement in the long-term stability of boron-doped diamond over CFMEs, as well as a diminishing sensitivity of the laser-cut BDDME over time. This work reports the electrochemical fouling performance of the BDDME when it is repeatedly exposed to DA or 5-HT, which informs the development of a chronic, diamond-based electrochemical sensor for long-term neurotransmitter measurements in vivo.

Abstract Objective Neuromodulation technologies have gained considerable attention for its clinical potential in treating neurological disorders and their capacity to advance cognition research. Nevertheless, traditional neuromodulation methods such as electrical stimulation and optogenetics manipulation currently experience technical and biological challenges that hinge their therapeutic potential and chronic research applications. Recently, a promising alternative neuromodulation approach based on the photoelectric effect has emerged. This approach is capable of generating electrical pulses when exposed to near-infrared (NIR) light and allows modulation of neuronal activity without the need for genetic alterations. In this study, we investigate a variety of design strategies aimed at enhancing photoelectric stimulation using minimally invasive, ultrasmall, untethered carbon electrodes. Approach A multiphoton laser was employed as the NIR light source. Benchtop investigations were conducted using a three-electrode setup, and chronopotentiometry was used to record photo-stimulated voltage. For in vivo evaluation, we used Thy1-GCaMP6s mice with acute implantation of ultrasmall carbon electrodes. Main results We revealed the beneficial effects of high duty-cycle laser scanning and photovoltaic polymer interfaces on the photo-stimulated voltages of ultrasmall carbon electrodes. Additionally, we demonstrated the promising potential of carbon-based diamond electrodes for photoelectric stimulation and examined the application of photoelectric stimulation in precise chemical delivery by loading mesoporous silica nanoparticles (SNPs) co-deposited with polyethylenedioxythiophene (PEDOT). Significance These findings on photoelectric stimulation utilizing ultrasmall carbon electrodes underscore its immense potential for advancing the next generation of neuromodulation technology. This approach offers the opportunity to effectively modulate neural tissue while minimizing invasive implantation-related injuries in freely moving subjects, which hold significant promise for a wide range of applications in neuroscience research and clinical settings.

3D printed biomaterial implants are revolutionizing personalized medicine for tissue repair, especially in orthopedics. In this study, a radiopaque Bi

Neurochemical sensing with implantable devices has gained remarkable attention over the last few decades. A promising area of this research is the progress of novel electrodes as electrochemical tools for neurotransmitter detection in the brain. The boron-doped diamond (BDD) electrode is one such candidate that previously has been reported for its excellent electrochemical properties, including a wide working potential, superior chemical inertness and mechanical stability, good biocompatibility and resistance to fouling. Meanwhile, limited research has been conducted on the BDD as a microelectrode for neurochemical detection. Our team has developed a freestanding, all diamond microelectrode consisting of a boron-doped polycrystalline diamond core, encapsulated in an insulating polycrystalline diamond shell, with a cleaved planar tip for electrochemical sensing. This all-diamond electrode is advantageous due to its - (1) batch fabrication using wafer technology that eliminates traditional hand fabrication errors and inconsistencies, (2) absence of metal-based wires, or foundations, to improve biocompatibility and flexibility, and (3) sp

Levels of the opioid peptide dynorphin, an endogenous ligand selective for kappa-opioid receptors (KORs), its mRNA and pro-peptide precursors are differentially dysregulated in Parkinson disease (PD) and following the development of L-DOPA-induced dyskinesia (LID). It remains unclear, whether these alterations contribute to the pathophysiological mechanisms underlying PD motor impairment and the subsequent development of LID, or whether they are part of compensatory mechanisms. We sought to investigate nor-BNI, a KOR antagonist, 1) in the dopamine (DA)-depleted PD state, 2) during the development phase of LID, and 3) with measuring tonic levels of striatal DA. Nor-BNI (3 mg/kg; s.c.) did not lead to functional restoration in the DA-depleted state, but a change in the dose-dependent development of abnormal voluntary movements (AIMs) in response to escalating doses of L-DOPA in a rat PD model with a moderate striatal 6-hydroxydopamine (6-OHDA) lesion. We tested five escalating doses of L-DOPA (6, 12, 24, 48, 72 mg/kg; i.p.), and nor-BNI significantly increased the development of AIMs at the 12 and 24 mg/kg L-DOPA doses. However, after dosing with 72 mg/kg L-DOPA, AIMs were not significantly different between control and nor-BNI groups. In summary, while blocking KORs significantly increased the rate of development of LID induced by chronic, escalating doses of L-DOPA in a moderate-lesioned rat PD model, it did not contribute further once the overall severity of LID was established. While we saw an increase of tonic DA levels in the moderately lesioned dorsolateral striatum, there was no tonic DA change following administration of nor-BNI.

Abstract Fast‐scan cyclic voltammetry (FSCV) is a popular approach for real‐time neurochemical sensing. Using a carbon‐fiber microelectrode (CFME), sensitive neurochemical sensing can be achieved in the acute setting with sub‐second resolution for monoamine neurotransmitters. However, to study neuropsychiatric conditions and neurological functions, it is often of interest to perform longitudinal monitoring of neurotransmitters over chronic timepoints. Despite notable successes, there remains substantial room for improvement in chronic neurochemical sensing performance. Electrode fouling and cellular encapsulation that can occur following surgical implantation can lead to diminished sensor performance over time. Additionally, working and reference electrodes can suffer from etching and polarization that can hinder their longevity and stability. Here, this work reviews current challenges facing chronic neurochemical sensors and discusses state‐of‐the‐art advancements in electrode material and device design choices. This work covers how the biological environment can negatively affect sensing performance and how device design can mitigate these effects. This work also provides examples of state‐of‐the‐art electrode technologies that have been developed to improve chronic neurochemical sensing. Improvements in FSCV as a tool for chronic neurotransmitter sensing will open new opportunities to study neurodegenerative and neuropsychiatric diseases, develop feedback systems for neuromodulation, and explore the neurochemical underpinnings of normal brain function and behavior.