Electrodeposited Poly (3,4-Ethylenedioxythiophene) (PEDOT) for Invasive Recording and Stimulating Neural Electrodes

Les électrodes neuronales sont un des outils médicaux utilisé pour soulager les symptômes des maladies neurodégénératives et pour étudier notre cerveau. Les électrodes neuronales conventionnelles souffrent de quelques inconvénients : leurs faibles dimensions leurs confèrent une haute impédance, et leur nature rigide et métallique couplée au traumatisme créé par la procédure d'implantation entraîne une réaction inflammatoire qui augmente encore plus l'impédance. Les polymères conducteurs sont des matériaux souples et organiques possédant une conductivité ionique-électronique mixte, et sont de candidats idéaux pour les interfaces biotique-abiotique. Ils sont régulièrement utilisés en tant que revêtement d'électrodes neuronales en raison de leur amélioration des propriétés électrochimiques et de leur supposée biocompatibilité. Une technique nommée électropolymérisation est généralement utilisée pour déposer les polymères conducteurs sur les microélectrodes neuronales. Un travail important a déjà été réalisé sur l'optimisation des paramètres de cette méthode de dépositionb. Cependant, les polymères conducteurs électropolymérisés souffrent d'une faible adhésion sur la plupart de leurs substrats. En plus de ce problème, il y a un manque d'études in vivo à long-terme confrontant les revêtements de polymères conducteurs aux conditions de stimulations électriques employés dans le domaine médical. Dans notre étude, nous avons observé l'influence du solvant utilisé lors de la déposition sur l'électropolymérisation, la stabilité électrochimique, et l'adhésion des revêtements en polymères conducteurs. Après avoir défini une procédure précise de déposition nous permettant de produire des revêtements stables, nous avons exploré l'utilité de ces revêtements pour des stimulations cérébrales profondes in vivo. Du poly(3,4-éthylènedioxithipohène) (PEDOT) fut électropolymérisé dans trois solvants différents : acétonitrile, propylène carbonate et eau, sur des microélectrodes de platinium-iridium. Les microélectrodes enrobées furent soumises à différents tests de stabilité : sonication, vieillissement passif, stérilisation à la vapeur et stimulations électriques in vitro. Nous avons découvert que l'acétonitrile et le propylène carbonate nous fournissaient les revêtements les plus résistants. Tous les revêtements de PEDOT produits dans les différents solvants étaient suffisamment stable pour être utilisés dans un contexte médical. Ainsi, nous avons implanté des microélectrodes enrobées de PEDOT dans des rats et avons appliqué des stimulations électriques quotidiennes tout en mesurant l'impédance des microélectrodes. Nous avons observé que les stimulations électriques entraînaient une diminution de l'impédance pour les microélectrodes enrobées de PEDOT et les microélectrodes de contrôle. La chute d'impédance était plus importante pour les microélectrodes de contrôle que pour les microélectrodes enrobées de PEDOT, ce qui remet en cause la pertinence de revêtements en PEDOT pour les stimulations cérébrales profondes et indique qu'un travail conséquent sera nécessaire pour optimiser les revêtements en polymère conducteur pour les électrodes neuronales de stimulation.

Abstract

Neural electrodes are one of the medical tools to improve the symptoms of neurodegenerative diseases and/or to study the brain. Conventional neural electrodes suffer from some disadvantages such as: their smaller dimensions lead to high impedance, and their rigid and metallic nature coupled with the destructive insertion procedure leads to inflammatory response in the body that can further increase the impedance. Conducting polymers are soft and organic materials that possess a mixed electronic-ionic conductivity, and are ideal candidates for biotic-abiotic interfaces. They are regularly used for coating neural electrodes due to their enhanced electrochemical properties and biocompatibility. A technique called electropolymerization is generally used to deposit conducting polymers on neural microelectrodes. Extensive work has been done on the optimization of the parameters in this deposition method. However, electrodeposited conducting polymers coatings suffer from poor adhesion on most of their substrates. Besides this issue, there is a lack of long-term in vivo studies subjecting conducting polymer coatings to electrical stimulation conditions used in medical studies. In this work, we investigated the influence of the processing solvent on the electropolymerization, the electrochemical stability, and the adhesion of conducting polymer coatings. After having defined a precise deposition procedure to produce stable coatings, we investigated the role of these coatings for in vivo deep brain stimulations. Poly(3,4-ethylenedioxithiophene) (PEDOT) was electropolymerized in three different solvent: acetonitrile, propylene carbonate and water, on platinum-iridium microelectrodes. The coated microelectrodes were subjected to different stability tests: sonication, passive aging, steam sterilization, and electrical stimulations in vitro. We found out that acetonitrile and propylene carbonate provided the most resistant PEDOT coatings. All the PEDOT coatings processed in different solvents were stable enough to be used in a medical context. We therefore implanted PEDOT-coated stimulating microelectrodes in rats and applied daily stimulation all the while monitoring the impedance of the microelectrodes. We observed that electrical stimulations decreased the impedance of both the PEDOT-coated microelectrodes and the uncoated control microelectrodes. The decrease in impedance was more prominent for control microelectrodes than for PEDOT-coated ones, which questions the relevance of PEDOT coatings for deep brain stimulation purposes and indicates that more work is required to optimize conducting polymer coatings on neural electrodes for electrical stimulation studies.