Reestruturação hierárquica da superfície do laser de femtosegundo para eletrodos de interface neural de próxima geração e matrizes de microeletrodos

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 13966 (2022) Citar este artigo

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Dispositivos de interface neural implantáveis ​​de longo prazo são capazes de diagnosticar, monitorar e tratar muitos distúrbios cardíacos, neurológicos, retinianos e auditivos por meio de estimulação nervosa, além de detectar e registrar sinais elétricos de e para o tecido neural. Para melhorar a especificidade, funcionalidade e desempenho desses dispositivos, os eletrodos e matrizes de microeletrodos - que são a base da maioria dos dispositivos emergentes - devem ser ainda mais miniaturizados e devem possuir desempenho eletroquímico excepcional e características de troca de carga com tecido neural. Neste relatório, mostramos pela primeira vez que o desempenho eletroquímico de eletrodos hierarquicamente reestruturados a laser de femtosegundo pode ser ajustado para produzir valores de desempenho sem precedentes que excedem significativamente os relatados na literatura, por exemplo, capacidade de armazenamento de carga e capacitância específica mostraram ter melhorou em duas ordens de magnitude e mais de 700 vezes, respectivamente, em comparação com eletrodos não reestruturados. Além disso, foi estabelecida a correlação entre os parâmetros do laser, o desempenho eletroquímico e os parâmetros de superfície dos eletrodos e, embora as métricas de desempenho exibam um comportamento crescente relativamente consistente com os parâmetros do laser, os parâmetros de superfície tendem a seguir uma tendência menos previsível negando uma relação direta entre esses parâmetros de superfície e desempenho. Para responder à questão do que impulsiona tal desempenho e ajuste, e se o raciocínio amplamente adotado de área de superfície aumentada e rugosidade dos eletrodos são os principais contribuintes para o aumento observado no desempenho, a análise transversal dos eletrodos usando feixe de íons focalizado mostra , pela primeira vez, a existência de características de subsuperfície que podem ter contribuído para as melhorias observadas no desempenho eletroquímico. Este relatório é a primeira vez que tal aprimoramento de desempenho e ajuste são relatados para eletrodos hierarquicamente reestruturados a laser de femtosegundo para aplicações de interface neural.

O envelhecimento da população e a existência de uma multiplicidade de distúrbios cardíacos1,2, neurológicos3,4,5,6, retinianos7,8 e auditivos9,10 que não podem ser curados apenas por medicamentos resultaram em um crescimento significativo no número de pacientes que requerem dispositivos implantáveis ​​de longo prazo. Esses dispositivos e sua ampla gama de aplicações estão resumidos na Tabela 1. Os dispositivos implantáveis ​​funcionam por estimulação artificial do tecido vivo por meio da transferência de um sinal elétrico externo de um neuroestimulador ou gerador de pulso implantável (IPG) para um eletrodo implantável ou conjunto de microeletrodos e em seguida, através da membrana das células neurais ou tecido11. O sistema nervoso é responsável pelo transporte dos sinais elétricos que viajam do cérebro para os músculos para induzir o movimento muscular e vice-versa dos órgãos sensoriais para o cérebro (por exemplo, percepção, audição e visão). Se um nervo for lesado e a comunicação entre o cérebro e a periferia for interrompida, como no caso de lesão da medula espinhal por exemplo12,13,14,15, é possível usar um dispositivo para restaurar a função que o cérebro não pode controle4 ou registre essas informações do sistema nervoso. Nas últimas décadas, muitos pacientes em todo o mundo têm dependido de dispositivos implantáveis ​​para funções críticas e de manutenção da vida16,17,18, o que resultou em grandes transformações nesses dispositivos. Particularmente, tem havido uma forte tendência para a miniaturização do dispositivo, uma vez que dispositivos implantáveis ​​menores são desejados para torná-los compatíveis com as atividades humanas normais e aumentar o conforto do hospedeiro19,20. Portanto, todos os componentes desses dispositivos precisam ser otimizados para peso, tamanho e conforto do paciente. A maioria desses dispositivos consiste em três componentes principais: (1) neuroestimulador ou IPG, que contém uma bateria e componentes eletrônicos; (2) eletrodos ou matrizes de microeletrodos, responsáveis ​​por detectar e registrar atividade neurológica ou cardíaca intrínseca e também fornecer pulsos para fins de estimulação e estimulação; e (3) derivações, que fazem a ponte entre o IPG e os eletrodos ou arranjos de (micro)eletrodos1,3,6,8,20,21. A Figura 1 mostra um exemplo de um dispositivo de neuroestimulação e todos os três principais componentes descritos acima.