Electrodeposition of PEDOT on Linear and Curved Intracerebral Probes for Improved Neural Recording and Stimulation

Les réseaux de microélectrodes sont des outils standards pour la réalisation d'expériences électrophysiologiques chroniques, permettant aux chercheurs d'enregistrer simultanément l'activité d'un grand nombre de neurones. Dans le domaine des neuroprothèses, les microélectrodes ciblant les structures cérébrales profondes sont couramment utilisées pour identifier les zones épileptogènes ou traiter la maladie de Parkinson. L'adoption clinique des réseaux de microélectrodes a cependant été entravée par des déficits dans leur fiabilité à long terme. La performance et la longévité du dispositif sont associées à l'impédance électrique des microélectrodes, ce qui limite la capacité de stimulation de l'électrode ou la qualité de l'enregistrement du signal neuronal. Les approches d'ingénierie des matériaux et des dispositifs visant à atténuer les causes de défaillance des dispositifs et à améliorer les enregistrements ou la stimulation neuronale sont conçues pour améliorer simultanément la performance des électrodes et minimiser la réponse neuro-inflammatoire. Une méthode bien établie pour améliorer la performance des électrodes consiste à modifier la surface des microélectrodes métalliques plates avec des polymères conducteurs, en particulier le poly(3,4-éthylènedioxythiophène) (PEDOT). Le PEDOT offre un avantage unique pour améliorer la performance des microélectrodes en raison de ses diverses voies de dépôt, de sa capacité à établir des microstructures et de ses excellentes propriétés de conduction mixte. Le revêtement des surfaces des microélectrodes avec du PEDOT augmente considérablement la surface électroactive de l'interface électrode/tissu et réduit l'impédance, ce qui se traduit par un rapport signal/bruit (RSB) amélioré et une capacité de stimulation accrue. Un avantage fréquemment cité du PEDOT est sa stabilité supérieure par rapport aux autres polymères conducteurs. Pour étudier cette stabilité, une série de tests simulant un environnement biologique ont été effectués in vivo en utilisant des microfils de PtIr revêtus de PEDOT:BF4 électrodéposé. Les résultats ont indiqué que l'électroactivité du PEDOT restait constamment stable au fil du temps. Cela a été confirmé par des tests de vieillissement accéléré dans une solution saline tamponnée au phosphate, qui simulaient une année à la température corporelle. De plus, la biocompatibilité du PEDOT:BF4 a été évaluée en comparant la réponse inflammatoire après implantation dans le cortex de rongeur à des microfils de PtIr non revêtus. Ces tests ont révélé des niveaux similaires d'inflammation modérée pour les deux électrodes.

Abstract

Microelectrode arrays are standard tools for conducting chronic electrophysiological experiments, allowing researchers to record simultaneously from large numbers of neurons. Within the field of Neuroprosthetics, microelectrodes targeting deep brain structures are routinely used to identify epileptogenic zones or treat Parkinson’s disease. The suboptimal long-term reliability has hindered the clinical adoption of microelectrode arrays. The device’s performance and longevity are associated with the electrical impedance of the microelectrodes, which limits the electrode’s capacity to stimulate or the quality of the neural signal recording. Materials and device engineering approaches for alleviating the causes of device failure and improving neural recordings or stimulation are designed to simultaneously enhance electrode performance and minimize the neuroinflammatory response. A well-established method to enhance electrode performance involves modifying the surface of flat metallic microelectrodes with conducting polymers, especially poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT). PEDOT provides a unique advantage for improving microelectrode performance due to its various deposition routes, capability to pattern microstructures, and excellent mixed conduction properties. Coating the surfaces of microelectrodes with PEDOT significantly increases the electroactive surface area of the electrode/tissue interface and reduces impedance, resulting in improved signal-to-noise ratio (SNR) and stimulation capacity. A frequently cited benefit of PEDOT is its superior stability compared to other conducting polymers. To investigate this stability, a series of tests simulating a biological environment were performed in vivo using electrodeposited PEDOT:BF4 coated PtIr microwires. The results indicated that the electroactivity of PEDOT remained consistently stable over time. This was further confirmed through accelerated aging tests in phosphate-buffered saline, which simulated one year at body temperature. Additionally, the biocompatibility of PEDOT:BF4 was evaluated by comparing the inflammatory response after implantation in the rodent cortex to uncoated PtIr microwires. These tests revealed similar levels of moderate inflammation for both electrodes.