Ristrutturazione gerarchica della superficie del laser a femtosecondi per elettrodi di interfaccia neurale e array di microelettrodi di prossima generazione

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 13966 (2022) Citare questo articolo

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I dispositivi di interfaccia neurale impiantabili a lungo termine sono in grado di diagnosticare, monitorare e trattare molti disturbi cardiaci, neurologici, retinici e uditivi attraverso la stimolazione nervosa, nonché di rilevare e registrare segnali elettrici da e verso il tessuto neurale. Per migliorare la specificità, la funzionalità e le prestazioni di questi dispositivi, gli elettrodi e le serie di microelettrodi, che costituiscono la base della maggior parte dei dispositivi emergenti, devono essere ulteriormente miniaturizzati e devono possedere prestazioni elettrochimiche eccezionali e caratteristiche di scambio di carica con il tessuto neurale. In questo rapporto, mostriamo per la prima volta che le prestazioni elettrochimiche degli elettrodi ristrutturati gerarchicamente del laser a femtosecondi possono essere regolate per produrre valori di prestazione senza precedenti che superano significativamente quelli riportati in letteratura, ad esempio è stato dimostrato che la capacità di immagazzinamento della carica e la capacità specifica hanno migliorati rispettivamente di due ordini di grandezza e oltre 700 volte rispetto agli elettrodi non ristrutturati. Inoltre, è stata stabilita la correlazione tra i parametri laser, le prestazioni elettrochimiche e i parametri superficiali degli elettrodi e, mentre i parametri prestazionali mostrano un comportamento crescente relativamente coerente con i parametri laser, i parametri superficiali tendono a seguire un andamento meno prevedibile negando una relazione diretta tra questi parametri superficiali e prestazione. Per rispondere alla domanda su cosa determina tali prestazioni e regolabilità e se il ragionamento ampiamente adottato sull’aumento della superficie e l’irruvidimento degli elettrodi siano i fattori chiave che contribuiscono all’aumento osservato delle prestazioni, l’analisi trasversale degli elettrodi utilizzando un fascio ionico focalizzato mostra , per la prima volta, l'esistenza di caratteristiche del sottosuolo che potrebbero aver contribuito ai miglioramenti delle prestazioni elettrochimiche osservati. Questo rapporto è la prima volta che tale miglioramento delle prestazioni e sintonizzazione vengono segnalati per elettrodi ristrutturati gerarchicamente con laser a femtosecondi per applicazioni di interfaccia neurale.

L’invecchiamento della popolazione e l’esistenza di una moltitudine di disturbi cardiaci1,2, neurologici3,4,5,6, retinici7,8 e uditivi,9,10 che non possono essere curati esclusivamente con i farmaci, hanno portato ad una crescita significativa del numero di pazienti che richiedono dispositivi impiantabili a lungo termine. Questi dispositivi e la loro vasta gamma di applicazioni sono riepilogati nella Tabella 1. I dispositivi impiantabili funzionano tramite la stimolazione artificiale del tessuto vivente attraverso il trasferimento di un segnale elettrico esterno da un neurostimolatore o un generatore di impulsi impiantabile (IPG) a un elettrodo impiantabile o a una serie di microelettrodi e poi attraverso la membrana delle cellule neurali o del tessuto11. Il sistema nervoso è responsabile del trasporto dei segnali elettrici che viaggiano dal cervello ai muscoli per stimolare il movimento muscolare e viceversa dagli organi di senso al cervello (ad esempio, sensibilità, udito e vista). Se un nervo viene danneggiato e la comunicazione tra il cervello e la periferia viene interrotta, come ad esempio nel caso di una lesione del midollo spinale12,13,14,15, è possibile utilizzare un dispositivo per ripristinare la funzione che il cervello non può ripristinare control4 o registrare queste informazioni dal sistema nervoso. Negli ultimi decenni, molti pazienti in tutto il mondo hanno fatto affidamento su dispositivi impiantabili per funzioni vitali e di sostegno vitale16,17,18, il che ha portato a massicce trasformazioni in questi dispositivi. In particolare, si è verificata una forte tendenza verso la miniaturizzazione dei dispositivi poiché si desiderano dispositivi impiantabili più piccoli per renderli compatibili con le normali attività umane e migliorare il comfort dell'ospite19,20. Pertanto, tutti i componenti di tali dispositivi devono essere ottimizzati per peso, dimensioni e comfort dei pazienti. La maggior parte di questi dispositivi è costituita da tre componenti principali: (1) neurostimolatore o IPG, che contiene una batteria ed elementi elettronici; (2) elettrodi o serie di microelettrodi, responsabili del rilevamento e della registrazione dell'attività neurologica o cardiaca intrinseca e anche dell'erogazione di impulsi per scopi di stimolazione e stimolazione; e (3) derivazioni che collegano l'IPG agli elettrodi o ai gruppi di (micro)elettrodi1,3,6,8,20,21. La Figura 1 mostra un esempio di un dispositivo di neurostimolazione e tutti e tre i componenti principali sopra descritti.