Nieuwe coatingstrategie verbetert de prestaties van neurale elektroden

Invasieve en implanteerbare apparaten zijn toegepast in neurale prothesen om ziekten te diagnosticeren of te behandelen. Neurale elektroden zijn een belangrijke brug tussen intern weefsel en externe apparaten.

Onlangs heeft het team van prof. Wu Tianzhun van het Shenzhen Institute of Advanced Technology (SIAT) van de Chinese Academie van Wetenschappen een nieuwe coatingstrategie voorgesteld die de prestaties van neurale elektroden kan verbeteren.

De studie is gepubliceerd in Geavanceerde materiaalinterfaces als voorblad.

De miniaturisering en integratie van neurale elektroden zal zorgen voor een hogere efficiëntie van elektrische stimulatie/registratie in de klinische praktijk. De interface-impedantie is echter extreem hoog met de krimpende grootte van de elektrode, wat de ladingsopslag- en injectiecapaciteit ernstig vermindert en dus de praktische toepassing ervan beperkt.

Op basis van de bovenstaande overwegingen heeft de groep van prof. Wu in hun eerdere werk platina (Pt) en iridium (Ir) nanomaterialen ontwikkeld om de elektrische prestaties en stimulatie-efficiëntie effectief te verbeteren vanwege hun uitstekende elektrische en katalytische eigenschappen, evenals superieure stabiliteit en biocompatibiliteit .

In deze studie ontwikkelden de onderzoekers een bloemvormig Pt-nanokristal met een intensief hoogoppervlak als tussenlaag voor het accumuleren van een laag gehalte aan IrO_x met verbeterde hechting, met een multiplicatoreffect.

Vergeleken met een kale Pt-elektrode van dezelfde grootte, is de impedantie van IrO_x/Pt met bloemen beklede micro-elektrode bij 1 kHz was gedaald tot -2 kΩ, met een reductie van 94,23%. De overeenkomstige opslagcapaciteit voor kathodische lading en capaciteit voor ladinginjectie werden verhoogd tot 202,75 ± 2,18 mC×cm^-2 en 6,53 ± 0,16 mC×cm^-2, respectievelijk.

IrO_x laag stevig gehecht aan Pt-nanokristallen, wat robuuste chronische stabiliteit demonstreert onder continue elektrostimulatie voor 1 × 10⁸ cycli.

Andere kandidaten zoals Pt nanocone en Pt leaf nanostructuren gecombineerd met hetzelfde gehalte aan IrO_x toonde ook aanzienlijk verbeterde elektrische prestaties voor neurale elektroden.

Met name vertoonden de zoals voorbereide coatings een goede bioveiligheid en veelbelovende elektrokatalytische activiteit voor de zuurstofontwikkelingsreactie in 0,5 MH₂DUS₄.

IrO_x hielp de Tafelhelling van Pt-bloem te verminderen van 162,9 mV×dec^-1 tot 41,1 mV×dec^-1 drastisch, ook met uitstekende duurzaamheid na chronoamperometrietest.

Bovendien is na 48 uur kweken de oppervlaktedekking van Escherichia coli op IrO_x/Pt-bloemelektrode was veel lager dan die op de vlakke Pt-elektrode, wat zijn potentiële antibacteriële vermogen bevestigde.

“De strategie kan worden toegepast in neurale interfaces, wateroxidatie, antibiologische vervuiling, en zal naar verwachting worden gebruikt in flexibele bio-elektronica en energieopslag zoals neurale prothesen, efficiënte stimulatie-/opname-elektroden en biosensing, en andere praktische toepassingen,” zei Dr. Zeng Qi, de eerste auteur van deze studie.