Фемтосекундная лазерная иерархическая реструктуризация поверхности для нейронных интерфейсных электродов нового поколения и микроэлектродных матриц

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 13966 (2022) Цитировать эту статью

1458 доступов

1 Цитаты

Подробности о метриках

Долгосрочные имплантируемые устройства с нейронным интерфейсом способны диагностировать, контролировать и лечить многие сердечные, неврологические, сетчаточные и слуховые нарушения посредством стимуляции нервов, а также воспринимать и записывать электрические сигналы, поступающие и исходящие от нервной ткани. Чтобы улучшить специфичность, функциональность и производительность этих устройств, электроды и массивы микроэлектродов, являющиеся основой большинства новых устройств, должны быть дополнительно миниатюризированы и обладать исключительными электрохимическими характеристиками и характеристиками обмена заряда с нервной тканью. В этом отчете мы впервые показываем, что электрохимические характеристики фемтосекундных лазерных иерархически реструктурированных электродов могут быть настроены для получения беспрецедентных значений производительности, которые значительно превышают те, о которых сообщается в литературе, например, было показано, что емкость хранения заряда и удельная емкость имеют улучшена на два порядка и более чем в 700 раз соответственно по сравнению с нереструктурированными электродами. Кроме того, была установлена ​​корреляция между параметрами лазера, электрохимическими характеристиками и параметрами поверхности электродов. производительность. Чтобы ответить на вопрос, что движет такими характеристиками и возможностью настройки, и являются ли широко распространенные соображения об увеличении площади поверхности и придании шероховатости электродам ключевым фактором наблюдаемого увеличения производительности, анализ поперечного сечения электродов с использованием сфокусированного ионного луча показывает, что Впервые обнаружено существование подповерхностных особенностей, которые могли способствовать наблюдаемому улучшению электрохимических характеристик. В этом отчете впервые сообщается о таком повышении производительности и возможности настройки фемтосекундных лазерных иерархически реструктурированных электродов для приложений нейронного интерфейса.

Старение населения и наличие множества сердечных1,2, неврологических3,4,5,6, нарушений сетчатки7,8 и слуха9,10, которые не могут быть вылечены исключительно медикаментозно, привели к значительному росту числа пациентов, требуют долговременных имплантируемых устройств. Эти устройства и их широкий спектр применения обобщены в Таблице 1. Имплантируемые устройства функционируют посредством искусственной стимуляции живой ткани путем передачи внешнего электрического сигнала от нейростимулятора или имплантируемого генератора импульсов (ИПГ) на имплантируемый электрод или матрицу микроэлектродов и затем через мембрану нервных клеток или ткани11. Нервная система отвечает за транспортировку электрических сигналов, которые передаются от мозга к мышцам, вызывая движение мышц, и наоборот от органов чувств к мозгу (например, органов чувств, слуха и зрения). Если нерв поврежден и связь между мозгом и периферией нарушена, как, например, в случае травмы спинного мозга12,13,14,15, можно использовать устройство либо для восстановления функции, которую мозг не может контролировать4 или записывать эту информацию от нервной системы. За последние несколько десятилетий многие пациенты по всему миру полагались на имплантируемые устройства для выполнения жизненно важных и поддерживающих жизнь функций16,17,18, что привело к масштабным изменениям в этих устройствах. В частности, наблюдается сильная тенденция к миниатюризации устройств, поскольку требуются имплантируемые устройства меньшего размера, чтобы сделать их совместимыми с нормальной деятельностью человека и повысить комфорт хозяина19,20. Поэтому все компоненты таких устройств необходимо оптимизировать по весу, размеру и комфорту пациентов. Большинство этих устройств состоят из трех основных компонентов: (1) нейростимулятора или ИПГ, который содержит батарею и электронику; (2) электроды или массивы микроэлектродов, отвечающие за восприятие и регистрацию собственной неврологической или сердечной активности, а также подачу импульсов для кардиостимуляции и стимуляции; и (3) отведения, которые соединяют ИПГ и электроды или массивы (микро)электродов1,3,6,8,20,21. На рисунке 1 показан пример устройства нейростимуляции и все три основных компонента, описанные выше.