Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) Coatings for High Quality Electromyography Recording

Les revêtements en polymère conducteur sur les électrodes métalliques constituent une solution efficace pour améliorer l'enregistrement et la stimulation des signaux neuronaux en raison de leurs conductivités électronique et ionique ainsi que de leur biocompatibilité. Cependant, très peu d'études ont été réalisées sur les revêtements de polymères conducteurs sur des fils métalliques pour l'enregistrement du signal musculaire. Ces travaux traitent surtout les électrodes pour l'enregistrement chronique sous anesthésie. L'enregistrement chronique du signal musculaire chez les animaux en mouvement pose un de défis pour les revêtements d'électrode, en raison des déplacements musculaires qui peuvent provoquer un délaminage du revêtement et une défaillance du dispositif. De plus, la faible adhérence des polymères conducteurs à certains substrats inorganiques et la dégradation de leurs propriétés électrochimiques après des traitements sévères tels que la stérilisation ou pendant l'implantation, limitent davantage leur utilisation pour les applications biomédicales. Dans ce travail, nous avons développé des électrodes invasives électrochimiquement stables pour l'enregistrement de signaux musculaires chez les petits animaux à base de fils multibrins en acier inoxydable revêtus du polymère conducteur poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT). La stabilité électrochimique et mécanique a été obtenue en ajustant les conditions d'électropolymérisation. Le PEDOT, dopé par des anions ClO4 - , a été électropolymérisé de manière galvanostatique sur des fils d'acier inoxydable en utilisant trois solvants différents: le carbonate de propylène (organique), l'acétonitrile (organique) et l'eau (inorganique). L'adhérence du revêtement au substrat métallique a été testée par ultrasonication et la stabilité électrochimique a été évaluée par vieillissement accéléré dans une solution tampon de phosphate salin et par stérilisation à l'autoclave. Le solvant a joué un rôle clé dans l'adhérence du revêtement PEDOT. Les solvants organiques offraient la meilleure stabilité mécanique. Les électrodes préparées avec ces solvants possédaient une excellente stabilité électrochimique et survivaient à la stérilisation et au trempage prolongé sans changement majeur des propriétés électrochimiques. Des électrodes en acier inoxydable sans revêtements de polymères conducteurs et d'autres revêtues de PEDOT ont été implantées dans le muscle acromiotrapezius de cinq souris pour l'enregistrement du signal musculaire durant une période de 6 semaines. Le revêtement PEDOT a amélioré les propriétés électrochimiques des électrodes en acier inoxydable, abaissant l'impédance, ce qui a permis d'améliorer le rapport signal / bruit lors de l'enregistrement du signal musculaire in vivo par rapport aux électrodes sans polymère.

Abstract

Conductive polymer coatings on metal electrodes are an efficient solution to improve neural signal recording and stimulation due to their mixed electronic-ionic conduction and biocompatibility. To date only a few studies have been reported on conductive polymer coatings on metallic wire electrodes for muscle signal recording. These studies mainly deal with testing of electrodes for acute recording during anaesthesia. Chronic muscle signal recording in free-walking animals offers more challenges for the electrode coatings, due to the muscle displacements which may cause coating delamination and device failure. The poor adhesion of conductive polymers to some inorganic substrates and the possible degradation of their electrochemical properties after harsh treatments, such as sterilization, or during implantation still limit their use for biomedical applications. In this work, we developed mechanically and electrochemically stable invasive electrodes for muscle signal recording in small animals based on stainless steel multi-stranded wires coated with the conductive polymer poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT). The electrochemical and mechanical stability was achieved by tuning the electropolymerization conditions. PEDOT doped with ClO4 - anions was galvanostatically electropolymerized using three different solvents: propylene carbonate (organic), acetonitrile (organic) and water (inorganic). The coating's adhesion to the metallic substrate was tested through ultrasonication and the electrochemical stability was evaluated through accelerated ageing in phosphate buffer solution and autoclave sterilization. The solvent played a key role in the adhesion of the PEDOT coating, with organic solvents giving the best mechanical stability. Electrodes prepared with these solvents possessed excellent electrochemical stability, and survived sterilization and prolonged soaking without major changes in electrochemical properties. PEDOT-coated and bare electrodes were implanted in the acromiotrapezius muscle of five mice for muscle signal recording during a period of 6 weeks. The PEDOT coating improved the electrochemical properties of the stainless steel electrodes, lowering the impedance, which resulted in enhanced signal to noise ratio during in vivo muscle signal recording compared to bare electrodes.