Om in vivo fysiologische functies te evalueren, elektrofysiologische signalen moeten met hoge precisie en een hoge ruimtelijke of temporele resolutie worden bewaakt. Ultraflexibel, multi-elektrode-arrays (MEA's) werden onlangs gefabriceerd om conformaal contact op de oppervlakken van organen tot stand te brengen en om elektrofysiologische signaalvoortplanting te meten met een hoge ruimtelijk-temporele resolutie. Echter, plastic substraten met een hoge Young's modulus die in het proces waren opgenomen, veroorzaakten problemen tijdens implantatie als gevolg van op dynamische beweging gebaseerde hemodynamica aan het oppervlak van het hart. In een nieuwe studie gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , Wonryung Lee en collega's hebben een actieve MEA ontwikkeld die is gefabriceerd om niet-trombogeniciteit aan te tonen, rekbaarheid en stabiliteit. De arrays maakten langdurige elektrocardiografische (ECG) monitoring mogelijk in de kloppende harten van ratten, zelfs bij capillaire bloedingen. De gemeten ECG-signalen vertoonden een hoge signaal-ruisverhouding (SNR) van 52 dB als gevolg van de actieve gegevensuitlezing.

In de studie, de nieuwe rekbare MEA is zorgvuldig ontworpen met behulp van de modernste technische technieken. De methoden combineerden buitengewoon high-gain organische elektrochemische transistors (OECT's) verwerkt op microgrid-substraten met een poly (3-methoxypropylacetaat) (PMC3A) coating. De werkwijze vergemakkelijkte significante antitrombotische eigenschappen terwijl de uitstekende ionische geleidbaarheid behouden bleef.

Typisch, multi-elektrode arrays (MEA's) worden gebruikt om de positie van actieve/inactieve cellen te onderzoeken, verspreiding van neurale signalen en netwerken tussen meerdere neuronen. De arrays kunnen ook worden gebruikt om ziekten te diagnosticeren en te behandelen door biologische signalen op meerdere punten te meten. De eerste gerapporteerde in vitro MEA werd vervaardigd op vlak glas om cellulaire opwinding in gekweekt myocardium te meten, neuronale cellen en voortplanting van signaal van hart- en hersenschijfjes. De recent ontwikkelde niet-invasieve in vivo MEA-arrays werden gefabriceerd op flexibele plastic folie met de mogelijkheid om in contact te komen met zachte en bewegende levende weefsels. Tijdens het engineeringsproces de flexibiliteit van het apparaat moet worden vergroot om MEA's tijdens implantatie op complexe structuren in het lichaam te vergemakkelijken.

Conform contact op gerimpelde hersenoppervlakken, bijvoorbeeld, kan worden bereikt door de dikte van het apparaat te verminderen tot minder dan twee µm. evenzo, ECG-metingen kunnen worden uitgevoerd op de huid nabij het hart via passieve MEA's op 3 µm polyimidesubstraten. De ultraflexibele eigenschappen van actieve MEA's werden aangetoond via soepel contact met spiercellen, cerebrale cortex evenals elektromyografie (EMG) en elektrocorticografie (ECoG) metingen. Een rekbare en bloedcompatibele actieve MEA moet nog worden gerealiseerd vanwege twee belangrijke beperkingen. Bij het begin, apparaatdegradatie als gevolg van bloedstolsels door chirurgische bloedingen als gevolg van een hoge Young's modulus werd gezien met polyimide- of paryleenpolymeren ondanks hun hoge compatibiliteit. Daarna, het is ook moeilijk om hoogwaardige actieve elementen met rekbaarheid te ontwikkelen om biologische signalen te meten. De actieve elementen vereisten ook hoge versterkingsfactoren en lage stuurspanningen.

In de studie, Lee et al. ontwikkelde een ultradunne, rekbare actieve OECT (organische elektrochemische transistor) matrix met rasterpatroon om de distributie van ECG-signalen te meten met een signaal-ruisverhouding (SNR) van 52 dB via direct contact op het kloppende hart van de rat. De actieve 4 x 4 OECT-array werd gefabriceerd met een totale dikte van 2,6 µm en een hoge transconductantie. Het apparaat was volledig gecoat met 100 nm dik poly (3-methoxypropylacetaat) (PMC3A) om antitrombotische eigenschappen te verlenen met behoud van uitstekende ionische geleidbaarheid. Een ECG werd in kaart gebracht vanaf het hartoppervlak van een rat om de haalbaarheid van de 4 x 4, ultradun, rekbaar, antitrombotische en actieve OECT-array. Vanwege de hoge vervormbaarheid van de rasterstructuur, artefactruis veroorzaakt door dynamisch bewegen kwam niet voor in de opgenomen gegevens. In aanvulling, vanwege zijn antitrombotische eigenschap, het apparaat was in staat tot stabiele metingen over lange perioden, zelfs in een implantaatomgeving met aanhoudende bloedingen.

De rekbare MEA-bevattende OECTS- en roostersubstraten werden gefabriceerd op 1,2 µm paryleensubstraten. De actieve lagen van een dunne poly (3, 4-ethyleendioxythiofeen)polystyreensulfonaat (PEDOT:PSS) systeem en de bedrading werden bereikt op een honingraatroostersubstraat. De honingraatstructuur maakte mechanische stabiliteit en structurele rekbaarheid mogelijk, eerder experimenteel en via simulatie onderzocht. De buitenste PMC3A [poly(3-methoxypropylacetaat)]-laag maakte een hoge bloedcompatibiliteit mogelijk om de antitrombogeniciteit te behouden. De rekbaarheid van het apparaat maakte dynamische beweging op biologische substraten mogelijk.

Voorafgaand aan het uitvoeren van biologische experimenten in vivo, de auteurs beoordeelden systematisch het elektrische en mechanische karakter van het apparaat. De elektrische prestaties werden gemeten ten opzichte van de transconductantie van de array, die voldoende grote hoeveelheden aangaf om de ECoG- of EMG-signalen van ratten te meten. De dikte en watercontacthoek van de PMC3A-oppervlakken vertoonden consistente resultaten met eerdere onderzoeken. Hemocompatibiliteitsonderzoeken op PMC3A werden uitgevoerd met behulp van bloedplaatjesadhesie door monsters te dompelen in bloedplaatjessuspensies geëxtraheerd uit menselijk bloed. De responstijd (τ) van OECT's voor en na PMC3A-coating werd gemeten nadat een poortspanningspuls was toegepast met een duur van één milliseconde, wat aangeeft dat het dompelproces van de PMC3A de elektrische OECT-eigenschappen niet heeft veranderd. De OECT-gecoate PMC3As bevestigden ook de elektrische stabiliteit op lange termijn.

De onderzoekers voerden vervolgens in vivo studies uit in een rattenmodel waarin de haalbaarheid van de rekbare en hemocompatibele OECT-arrays werd uitgevoerd via ECG-metingen op hartoppervlakken. De fysiologische signalen werden gemeten met behulp van de 4 x 4 reeks rekbare en hemocompatibele OECT's door ze aan het blootgestelde oppervlak van het hart te bevestigen. De honingraatgaten in het ultradunne substraat maakten een conform contact mogelijk tussen de apparaatfilm en het hartoppervlak.

De signaal-ruisverhouding van de met PMC3A gecoate OECT, opgenomen bij 51 dB 30 minuten na bevestiging, was vergelijkbaar met de waarde die direct na bevestiging werd geregistreerd. De millisiemensvolgorde van transconductantie die in het onderzoek werd waargenomen, was te wijten aan de waterdoorlatendheid van PEDOT:PSS. Als resultaat, de transconductantie van OECT was 100 x hoger dan die van de Si-veldeffect-transistoren (FET).

De onderzoekers demonstreerden ook ECG-mappingsignalen met behulp van de OECT-array toen het apparaat op een rattenhartoppervlak werd geplaatst dat de linker- en rechterventrikelgebieden bedekte. De belastingsimpedantie is ontworpen om 0 ohm te zijn om de overspraak in de OECT-array aanzienlijk te onderdrukken, zoals eerder is aangetoond. Ruimtelijke spanningskaarten van alle knooppunten op vier opeenvolgende tijdpunten werden gevisualiseerd. Op basis van de sensorlocatie, de anatomische signalen vertoonden verschillende vormen. De rekbare en bloedcompatibele OECT-arrays registreerden met succes de ruimtelijke-temporele verdeling van ECG's op het hartoppervlak van ratten met multiplexing.

In de studie, om twee redenen werd een hoge SNR van 52 dB bereikt; eerst, aangezien de auteurs erin geslaagd zijn OECT's te gebruiken met een hoge transconductantie in de orde van millisiemen. Hoger met een factor 10 vergeleken met monokristallijn Si FET in aanwezigheid van chirurgische bloedingen, terwijl de PMC3A-coating tegelijkertijd een hoge ionische geleidbaarheid behield. Tweede, de bewegingsartefactruis werd onderdrukt door de hoge vervormbaarheid van de microgrid-architectuur:het apparaat kan zich aan het dynamische doel hechten tijdens beweging van het hart. De rekbare en actieve MEA's met niet-trombogene PMC3A-coating zullen metingen van ECG, ECoG- of EMG-signalen met hogere nauwkeurigheid in verdere preklinische onderzoeken.

© 2018 Wetenschap X Netwerk