En el laboratorio, un electrodo demuestra que "funciona" siempre que se mide la señal. Pero en la clínica, los cardiólogos necesitan electrodos de ECG que puedan monitorear continuamente durante varios días sin desviarse, los neurocirujanos necesitan electrodos de interfaz neuronal que puedan funcionar de manera estable en el líquido cefalorraquídeo durante varios años, y los endocrinólogos necesitan sensores que puedan implantarse bajo la piel para monitorear continuamente el azúcar en sangre.

Estos escenarios plantean una restricción central a los electrodos que al laboratorio no le importa:Durabilidad.

La amplitud de la señal de ECG es de solo milivoltios, y la señal de EEG es de microvolpos. En la banda de trabajo de 10 Hz a 10 khz, los electrodos deben presentar características de resistencia extremadamente bajas y estables. Una vez que la superficie del electrodo se corroe en los fluidos corporales, el recubrimiento se cae o se cubre con biopelícula, la resistencia de la interfaz aumentará rápidamente, las señales débiles se inundarán por el ruido y los datos de monitoreo perderán valor clínico. Al mismo tiempo, el material del electrodo no debe liberar iones tóxicos, no debe desencadenar reacciones de rechazo inmunológico y debe cumplir con los estándares de biocompatibilidad de las series ISO 10993 y GB / T 16886.

Diferencias de rendimiento y lógica de selección de dos y tres recubrimientos de metales preciosos

La capa funcional conductora de los electrodos biomédicos está dominada por tres sistemas de metales preciosos: oro, platino, plata / cloruro de plata. Los tres se centran en la conductividad eléctrica, la estabilidad química, la actividad electrocatalítica y la biocompatibilidad.

Oro (au)La resistencia eléctrica es de aproximadamente 2,44 μomega · cm, y la estabilidad química es extremadamente alta, sin corrosión ni precipitación de iones tóxicos en un entorno fisiológico. La superficie del oro es fácil de modificar los anticuerpos de soporte sólido o los ligandos adaptados a través de la tiolización, lo que es adecuado para el diseño integrado de "electrodos como sensores". En escenarios que requieren implantes a largo plazo, la inercia química del oro lo convierte en el material de interfaz más confiable.Ciencia y tecnología avanzadas de la AcademiaLa película dorada Peek mide la pureza de la capa de oro ≥ 99,99%, el rango de espesor es ajustable de 0,1 a 5 micras, y la uniformidad es de ± 0,05 micras.

Platino (pt)La resistencia eléctrica puede ser tan baja como 1,65 μomega · cm, la capacidad de transferencia de carga es la más fuerte y la actividad catalítica es EXCELENTE. El platino destaca en la estimulación nerviosa y la detección electroquímica, especialmente adecuado para electrodos que requieren función de estimulación eléctrica. Las aleaciones de platino e Iridium se utilizan comúnmente para mejorar la resistencia mecánica y la resistencia a la corrosión de los electrodos para hacer electrodos de larga vida.

Plata / cloruro de plata (ag / agcl1)Es el sistema de materiales más clásico en electrodos biopotenciales. La capa de cloruro de plata puede reducir el efecto de polarización, estabilizar la transmisión de señal y evitar la deriva de corriente continua. La conductividad eléctrica de la plata es la mejor de las tres y tiene propiedades antibacterianas naturales. Sin embargo, la plata es fácil de oxidar y decolorar, y su estabilidad a largo plazo es pobre. Estudios relacionados han demostrado que el rendimiento del electrodo AG / agcl1 se degrada lentamente dentro de unos 200 días después de la fabricación, después de lo cual la tasa de degradación y la probabilidad crítica de falla aumentan. Por lo tanto, el sistema AG / agc1 es más adecuado para el diagnóstico clínico a corto plazo y los escenarios de uso único.

3. selección del sustrato: la disputa entre el "esqueleto" de peek, LCP y Pi

El sustrato determina las propiedades mecánicas, la biocompatibilidad y la viabilidad de implantación del electrodo. La elección del sustrato del electrodo biomédico es esencialmente una compensación entre la adaptación mecánica y la estabilidad química a largo plazo.

Polieteretercetona (peek)Tiene una excelente biocompatibilidad, estabilidad química y propiedades mecánicas. Las películas PEK de la microestructura pueden lograr una disposición direccional y ordenada en la estructura topológica y tienen un valor único en el diseño de electrodos neuronales compuestos. La baja energía superficial y la Alta cristalinidad de peek, y la fuerza de unión con el metal, son los problemas centrales del proceso de recubrimiento. La ciencia y la tecnología avanzadas de la Academia utilizan un proceso compuesto de deposición asistida por haz de iones de chorro de magnetrón pulsado de baja temperatura para lograr la prueba de adherencia del recubrimiento de grado 5b en la superficie de peek, sin ampollas ni descamación durante 48 horas en la niebla de sal. Después de 100 ciclos de choque térmico de - 40 ° C a 180 ° c, la adherencia se mantuvo en el nivel 5b, con una tasa de variación de la resistencia de la capa de oro inferior al 2%.

Polímero líquido cristalino (lcp)La tasa de absorción de agua es inferior al 0,04%, y las propiedades dieléctrico y aislantes no se deteriorarán debido a la penetración de agua en el líquido cefalorraquídeo después de una inmersión a mediano y largo plazo. La matriz de electrodos de película delgada del sustrato LCP puede lograr una mayor densidad de electrodos y número de canales, con una rigidez de solo 1 / 11 de los electrodos clínicos tradicionales. La matriz de electrodos neuronales de 25 canales a base de LCP se prepara mediante chapado en oro o óxido de iridio, que es mejor que el electrodo Pi en términos de fuerza de flexión y flexibilidad.

Poliimida (pi)Es uno de los sustratos más utilizados en electrodos flexibles. El espesor del sustrato de película dorada Pi de la tecnología avanzada de la Academia puede ser tan delgado como 5 micras, lo que es adecuado para electrodos de registro de EEG cortical con requisitos de flexibilidad extremadamente altos.

IV. proceso de recubrimiento: convertir la inercia química de los metales preciosos en propiedades confiables a largo plazo

La transformación de las ventajas teóricas de los recubrimientos de metales preciosos en productos de electrodos confiables depende del control preciso del proceso central. En respuesta a la propuesta de ingeniería de electrodos biomédicos, la Ciencia y la tecnología académicas avanzadas han logrado un triple avance tecnológico.

• Avance en la Unión de la interfaz: activación del pretratamiento de plasma.En respuesta al problema de la industria de la falta de unión entre metales y sustratos poliméricos, el proceso de pretratamiento de plasma desarrollado por la Ciencia y la tecnología de la academia avanzada bombardea la superficie del sustrato a través del plasma, mejorando efectivamente la resistencia de unión entre el sustrato y la capa metálica. Con el diseño del recubrimiento gradiente, se logra la transición de tensión del sustrato a la capa metálica, evitando efectivamente la desprendimiento de la interfaz causada por la diferencia de módulo, la fuerza de adhesión de 100 celosías del recubrimiento alcanza el nivel 5b, y la resistencia a la desprendimiento supera los 0,8 n / mm.
• Avance en la calidad del recubrimiento: galvanoplastia pulsada.La introducción de la tecnología de galvanoplastia pulsada, mediante el control preciso del tiempo y la frecuencia de conmutación de la corriente eléctrica, reduce efectivamente la permeabilidad del recubrimiento y mejora la densidad y uniformidad del recubrimiento. La baja permeabilidad es esencial para la implantación a largo plazo: las microporos en las capas aislantes y recubrimientos son canales de penetración de vapor de agua e iones que provocan atenuación de señales y acoplamiento eléctrico.
• Avance en la protección del medio ambiente y la seguridad: chapado en oro sin cianuro.El uso de la tecnología de chapado en oro sin cianuro en el proceso de chapado en oro tiene ventajas obvias en la reducción de la contaminación ambiental y la mejora de la seguridad operativa.

V. de los materiales a los dispositivos: puntos clave para la selección de los tres escenarios de aplicación

6. consideraciones de selección: decisiones de ingeniería desde la duración de la implantación hasta las condiciones ambientales

• La duración de la implantación determina el camino del material.El diagnóstico a corto plazo (horas a días) puede seleccionar el sistema AG / agcls; El monitoreo wearable a mediano y largo plazo (de semanas a meses) debe elegir un programa de chapado en oro; La implantación a largo plazo (varios años) requiere la elección de un sustrato LCP o Peek con chapado en oro y prestar atención a los datos de vida acelerada.
• El ambiente humoral es la piedra de toque corrosiva.La composición química del líquido cefalorraquídeo, el sudor y la sangre es significativamente diferente, y los requisitos de resistencia a la corrosión para el recubrimiento también son diferentes. La inercia química del oro es la más destacada entre los tres metales preciosos y es adecuada para el servicio a largo plazo en entornos fluidos corporales.
• La adherencia y la permeabilidad del recubrimiento determinan la fiabilidad a largo plazo.La adherencia de grado 5b (nivel más alto de ASTM d3359) es el umbral del proceso para garantizar que el recubrimiento del electrodo no se caiga durante repetidas curvas, implantes y servicio a largo plazo. La adherencia de la película dorada Peek se mantiene en el nivel 5b después del ciclo de choque térmico de 180 ° c, y la tasa de variación de la resistencia de la capa dorada es inferior al 2%, que es un dato de referencia clave para evaluar la fiabilidad a largo plazo.
• La precisión de procesamiento satisface las necesidades de las matrices de alta densidad.Las sondas neuronales de alto número de canales requieren una precisión de patrón de micras. La ciencia y la tecnología avanzadas de la Academia apoyan todo el proceso de cadena de activación de la superficie → recubrimiento al vacío → recubrimiento metálico, que puede personalizar el sistema de recubrimiento y la microestructura de los materiales de electrodo de acuerdo con diferentes necesidades de aplicación.

VII. observaciones finales

La esencia de los electrodos biomédicos es establecer un canal de señal estable, de bajo ruido y amigable con los organismos entre un sistema electrónico rígido y un tejido biológico suave, húmedo e inmunoactivo. Coincide con las propiedades mecánicas de los tejidos con sustratos flexibles (peek, lcp, pi), garantiza la calidad de la señal con recubrimientos de metales preciosos (oro, platino, AG / agcl1) y convierte la inercia química de los metales preciosos en propiedades confiables a largo plazo con procesos de pretratamiento por plasma y galvanoplastia pulsada, en colaboración con los tres, para responder conjuntamente a una pregunta central de ingeniería: cómo hacer que los electrodos "permanezcan" en el cuerpo durante varios años, al tiempo que puede entender las señales del cuerpo.

Desde el diagnóstico clínico de ECG hasta la interfaz cerebro - computadora, desde el monitoreo continuo de azúcar en sangre hasta la neuroregulación, los electrodos biomédicos están empujando las pruebas médicas de "análisis de sangre" a "monitoreo continuo". En este salto tecnológico de "in vitro" a "in vivo", el proceso de recubrimiento siempre ha sido la variable central que determina el rendimiento a largo plazo del electrodo.