Dans la conception de capteurs électrochimiques et de dispositifs bioélectroniques, le choix du matériau d'électrode est toujours confronté à un dilemme: le matériau le plus conducteur et souvent le plus dur.
Les métaux précieux tels que l'or, le platine, l'argent et d'autres ont une excellente conductivité électrique et une stabilité chimique, ce qui en fait le matériau de choix pour les interfaces électrochimiques. Mais le module de Young de ces métaux est aussi élevé que des dizaines à des centaines de GPA, alors que le module du tissu cérébral est seulement de 1 à 10 kPa. Plus de 6 ordres de grandeur de désadaptation mécanique font que chaque minuscule mouvement humain – respiration, battement de cœur, contraction musculaire – crée des dommages en mouvement à l’interface électrode - tissu. La blessure déclenche une réponse immunitaire et la couche d'enveloppe fibreuse isole progressivement physiquement l'électrode du tissu cible, ce qui entraîne une atténuation du signal.
Cette contradiction traverse tout le parcours de l'évolution technologique des électrodes à base de métal: des microélectrodes en fil de tungstène utilisées dans les premières sciences du cerveau aux schémas à base de silicium des réseaux d'électrodes de l'Utah et du Michigan, en passant par les électrodes en couches minces flexibles et les électrodes nanostructurées qui ont émergé ces dernières années - chaque itération technologique tente de répondre à la même question: comment faire en sorte que les électrodes métalliques apprennent à « vivre en paix» avec des tissus biologiques mous tout en conservant leurs propriétés conductrices?
Proposition de base:Comment faire pour qu'une électrode métallique apprenne à "vivre en paix" avec un tissu biologique souple tout en conservant ses propriétés conductrices?
II. Système matériel des électrodes à base de métal: de l'or, du platine à l'acier inoxydable
Les propriétés des électrodes à base de métal sont enracinées dans les propriétés intrinsèques de leur matériau métallique de base. Différents métaux sont responsables de la conductivité, de la stabilité chimique, de l'activité catalytique et de la biocompatibilité.
Or (au)
Les interfaces bioélectroniques sont les métaux précieux les plus utilisés. La résistivité de l'or est d'environ 2,44 μΩ.cm, la stabilité chimique est extrêmement élevée, presque aucune oxydation à température normale, aucune corrosion, aucun dégagement d'ions toxiques dans l'environnement physiologique. La surface de l'or est facile à modifier les anticorps ou les adaptateurs chargés par thiolation, ce qui permet une conception intégrée de « l'électrode en tant que capteur». Dans le domaine des interfaces neuronales, les réseaux µecog transparents fabriqués à partir d’or biocompatible présentent d’excellentes propriétés électrochimiques (0,73 Ω.cm²) et une stabilité à long terme, avec une variation de résistance de seulement 0,05% après 50 000 cycles de flexion. Les électrodes d'or ont également une large plage de polarisation anodique dans les capteurs électrochimiques et ont traditionnellement été le meilleur choix pour la détermination du mercure et de l'arsenic.
Platine (PT)
L'avantage réside dans l'activité électrocatalytique et la stabilité à long terme. Avec une large fenêtre électrochimique et une activité catalytique élevée, le platine excelle dans la stimulation nerveuse et les enregistrements à long terme. Des études de Voltampérométrie cyclique ont montré que la capacité totale de stockage de charge (CSC) des électrodes en platine peut atteindre 940 μc / cm² (1 V / s), restant stable dans la plage de fenêtres à eau de - 0,6 à 0,8 v. La densité de courant d'échange du platine est de 10 ma / cm², bien supérieure à celle de l'or de 0,3 ma / cm², ce qui signifie que le platine a une cinétique de transfert d'électrons plus rapide dans les réactions électrochimiques. Dans la gamme de fréquences de stimulation neuromusculaire de 1 à 250 Hz, le platine offre une conductivité optimale. Les alliages de platine Iridium sont couramment utilisés pour renforcer la résistance mécanique et la résistance à la corrosion des électrodes afin de créer des électrodes à longue durée de vie.
Argent (AG)
Les métaux les plus conducteurs (résistivité de l'ordre de 1,59 μΩ.cm) sont également les plus avantageux en termes de coût. L'argent a en même temps des propriétés antibactériennes. Mais l'argent n'est pas aussi stable chimiquement que l'or et le platine - facilement vulcanisé ou oxydé dans un environnement physiologique. L'argent est généralement utilisé sous forme d'AG / AgCl (argent / chlorure d'argent) pour les électrodes biopotentielles de surface corporelle ou comme matériau conducteur de couche interne pour les électrodes composites or / argent. Les alliages à base de palladium présentent une capacité de stockage de charge supérieure à celle des alliages à base de platine dans des conditions de gonflage, avec des valeurs CSC allant jusqu'à 0,64 ± 0,02 MC / cm² pour l'alliage paliney 1100 (Pd - re).
Acier inoxydable et cuivre
L'acier inoxydable est utilisé pour les électrodes à aiguilles peu invasives en raison de sa bonne résistance mécanique et de son faible coût. L'électrode de broche ss304 présente un courant de fond de tirage illégal extrêmement faible dans la détection h₂o₂. Le chrome dans l'acier inoxydable forme un film d'oxyde dense dans l'air, conférant à l'électrode un comportement de passivation stable en milieu acide. Bien que la conductivité électrique soit excellente et peu coûteuse, le cuivre est facilement oxydable dans un environnement physiologique, a une mauvaise stabilité à long terme et n'est généralement pas utilisé directement comme électrode de travail. Cependant, les matériaux à base de cuivre présentent une activité catalytique unique dans la détection électrochimique non enzymatique – les limites de détection des nitrites peuvent atteindre 0079 μm avec une sensibilité allant jusqu’à 2140 μa·mm⁻¹·cm² pour les nanofeuilles de cuivre métallique / électrodes en papier de carbone.
| Matériaux métalliques |
Résistivité (μΩ.cm) |
Stabilité chimique |
Capacité de stockage de charge (CSC) |
Applications typiques |
| Or (au) |
~ 2,44 |
Extrêmement élevé (non oxydant) |
597μC/cm²（1V/s） |
Sondes nerveuses, biocapteurs, µecog |
| Platine (PT) |
~ 1,65 |
Haut |
940μC/cm²（1V/s） |
Électrodes de stimulation nerveuse, capteurs électrochimiques |
| Argent (AG) |
~ 1,59 |
Général (facile à vulcaniser) |
– |
Électrodes de surface corporelle AG / AgCl, électrodes antibactériennes |
| acier inoxydable |
Plus élevé |
Bon (auto - passivation) |
– |
Electrode d'aiguille mini - invasive, électrode d'aiguille d'acupuncture |
| Cuivre (Cu) |
~ 1,68 |
Pauvre (facile à oxyder) |
– |
Détection non enzymatique (nitrites, etc.) |
Iii. De rigide à flexible: trois voies technologiques pour les électrodes à base de métal
Les électrodes à base de métal sont passées de « rigides» à « flexibles» et ne sont pas simplement « minces» pour le métal, mais nécessitent une restructuration fondamentale au niveau de la morphologie du matériau et de la conception structurelle. La voie technologique dominante actuelle comprend trois:
Chemin un: grille métallique
Le film métallique ultra - mince est structuré en une structure de maille de précision pour former un réseau conducteur léger. La flexibilité et la transparence sont obtenues tout en conservant la conductivité du métal, la transmission de la lumière > 80%, la résistance carrée peut être aussi faible que < 10 ω >
Voie II: Nanofils métalliques
Les Nanofils d'argent (agnw) sont des matériaux représentatifs. Le rapport longueur / diamètre élevé lui permet de former un réseau hautement conducteur et extensible qui dissipe les contraintes par glissement et Réarrangement de Nanofils lorsqu'il est déformé. Face aux défis de la corrosion et de la stabilité thermique.
Voie III: métal liquide
Les métaux liquides (tels que l'alliage eutectique de gallium et d'indium egain) combinent la conductivité électrique du métal avec la capacité de transformation du fluide en un seul. Avec conductivité de niveau métallique et capacité d'auto - réparation. Le feutre de fibres métalliques liquides a été utilisé pour les interfaces neuronales implantables.
Orientations émergentes:Les aérogels métalliques combinent les propriétés physico - chimiques uniques des métaux avec la surface spécifique et la porosité élevées des aérogels traditionnels. Sa structure de réseau d'interconnexion tridimensionnelle confère au matériau une flexibilité intrinsèque, idéale pour les électrodes de biocapteurs portables.
Performance clé: ce sur quoi les ingénieurs devraient se concentrer
Capacité de stockage de charge (CSC)
Un indicateur central pour mesurer la capacité d'injection de charge d'une électrode. La CSC totale à 1 V / s peut atteindre 940 μc / cm² pour les électrodes en platine et 597 μc / cm² pour les électrodes en or.
Impédance d'interface
Décider du rapport signal sur bruit d'acquisition du signal. 8,7 kΩ pour l'électrode de platine et 7,5 kΩ pour l'électrode d'or à une fréquence de 1 kHz. L'impédance de l'électrode de nanofil ni - au Core shell est au moins 9 fois inférieure à celle de l'électrode de référence plane.
Fenêtre électrochimique
Décider du type de substance électroactive détectable. Plage de fenêtre d'eau d'électrode de platine - 0,6 à 0,8 V, électrode d'or - 0,8 à 0,6 v. plus la fenêtre est large, plus les espèces de substances peuvent être détectées.
Stabilité à long terme
Exigences de base pour les électrodes implantables. L'inertie chimique de l'or le rend stable à long terme, et le réseau µecog maintient un faible bruit de base et un rapport signal / bruit élevé pendant deux semaines dans l'enregistrement en volume.
| Indicateurs de performance |
Or (au) |
Platine (PT) |
Conditions de référence |
| Capacité de stockage de charge (total) |
597 μC/cm² |
940 μC/cm² |
1 V/s |
| Impédance @ 1khz |
7,5 kΩ |
8,7 kΩ |
– |
| Gamme de fenêtres d'eau |
- 0,8 à 0,6 V |
- 0,6 à 0,8 V |
– |
| Densité de courant d'échange |
0.3 mA/cm² |
10 mA/cm² |
– |
| 50k variations de résistance de flexion |
0,05% |
– |
Transparent µecog |
V. Processus de préparation des électrodes à base de métal
Le processus de préparation des électrodes à base de métal détermine leurs propriétés finales. Le chemin de préparation du courant principal actuel comprend:
Pulvérisation magnétique contrôlée
Le processus de base pour la préparation d'électrodes en film mince métallique peut réaliser un dépôt uniforme de couche métallique sur la surface de substrats polymères flexibles tels que Pi, PET, LCP et autres. Un film métallique dense et bien lié est formé à basse température.
Épaississement galvanique
épaissir la couche métallique à l'épaisseur cible sur la base de la couche de germination. L'électrodéposition en solution aqueuse et le complexage métallurgique sont actuellement les méthodes les plus couramment utilisées pour la préparation d'électrodes composites métalliques.
Préparation de Nanostructures
Les électrodes verticales de nanofil de coquille de noyau telles que ni - au sont préparées en utilisant la technique d'électrodéposition assistée par matrice en deux étapes. Le boîtier en or offre la biocompatibilité et le nickel des propriétés mécaniques.
Technologie avancée:L'autonomie a construit la ligne de production de Pulvérisation magnétron et de placage à la vapeur sous vide, en utilisant le processus de production en continu de bobine à bobine, qui peut être déposé avec précision sur la surface du substrat polymère flexible Pi, PET, FEP, LCP, PEEK et autres couches métalliques solides en argent, platine, argent, titane et autres. La force de liaison du revêtement jusqu'à la classe 5B (ASTM d3359 la plus élevée) prend en charge le contrôle précis de l'épaisseur de l'échelle nanométrique à l'échelle micrométrique.
Vi. Carte d'application: de l'interface neurale à la détection biologique
Interface neuronale et interface cerveau - machine
Les matrices µecog transparentes sont fabriquées à l'aide d'or biocompatible qui permet une imagerie optique et une modulation Optogénétique simultanées dans les enregistrements électrophysiologiques. Le feutre de fibre métallique liquide réalise l'électrocardiogramme et l'acquisition à long terme des signaux électriques cérébraux corticaux dans le corps. L'acier inoxydable est un excellent candidat pour les implants neuronaux de grande longueur en raison de sa biocompatibilité, de son élasticité et de sa faible fragilité.
Biocapteurs électrochimiques
La surveillance de la glycémie, la détection des métaux lourds, l'analyse des neurotransmetteurs et d'autres domaines sont largement utilisés. L'électrode d'or convient aux biocapteurs; L'électrode de platine excelle dans l'acquisition de signaux de haute précision et les scénarios d'application à longue durée; Les électrodes de nanofeuille à base de cuivre présentent un faible potentiel de détection et une sensibilité élevée dans la détection non enzymatique des nitrites.
Surveillance électrocardiaque et myoélectrique
Les électrodes AG / AgCl sont le « gold standard » pour la surveillance électrocardiovasculaire clinique. Les électrodes à film mince métalliques flexibles deviennent un composant central de surveillance électrique cardiaque portable qui peut encore maintenir une acquisition de signal stable en mouvement.
Vii. Solutions de revêtement d'électrode à base de métal pour la technologie avancée de la maison
Fondée en 2016, Advanced Academy (Shenzhen) Technology Co., Ltd est une entreprise nationale de haute technologie axée sur le revêtement de substrat flexible, les matériaux de blindage, les matériaux d'absorption d'ondes et les boues de métaux précieux. La société possède la marque déposée indépendante "Research Platinum", a passé la certification du système de gestion de la qualité ISO9001, les produits sont conformes aux normes relatives à l'aérospatiale GJB 773a et aux exigences environnementales ROHS.
Dans le domaine des électrodes à base de métal, Advanced House Technology offre les compétences de base suivantes:
Sélection du substrat
Pi, PET, FEP, LCP, Peek, PPS, PDMS, TPU et beaucoup d'autres matériaux flexibles.
Programme de placage
Toute la gamme de revêtements métalliques tels que l'or, le platine, l'argent, le titane, le cuivre, etc.
Plateforme de processus
Pulvérisation magnétron, placage à la vapeur sous vide, électrodéposition pulsée et autres processus composites.
Technologie de base
Activation de pré - traitement plasma, conception de revêtement gradient, placage d'or sans cyanogène.
Assurance qualité
Classe d'adhérence de placage 5b, contrôle d'épaisseur à l'échelle nanométrique (quelques nanomètres à quelques centaines de nanomètres), certification ISO9001.
Viii. Conclusion
L'essence des électrodes à base de métal est la recherche d'un équilibre technique entre l'excellente conductivité des métaux rigides et la dynamique douce des tissus biologiques. L’or offre l’« étalon - or » de l’inertie chimique et de la faible impédance, le platine offre une activité catalytique alimentée et une « qualité platine » stable à long terme, l’argent offre une « option argent » pour une conductivité optimale et des propriétés antibactériennes, et l’acier inoxydable offre une résistance mécanique et une « option industrielle » à faible coût – chaque matériau a son scénario d’ingénierie le plus approprié.
Des blocs rigides aux films minces flexibles, des électrodes planes aux Nanostructures, des métaux purs aux composites noyau - coquille – l’évolution technologique des électrodes à base de métal s’est toujours articulée autour d’une proposition centrale: Comment permettre aux électrodes de mieux s’adapter aux interfaces biologiques tout en conservant leurs propriétés conductrices. Comprendre les limites de performance des différents matériaux métalliques, les scénarios applicables aux trois voies technologiques de flexibilisation et l'impact du processus de préparation sur les performances des électrodes - Voilà les clés pour passer d'une électrode à base de métal d'un « matériau conducteur» à une « Décision d'ingénierie».
Formulaire de contact
Company: Xianjin Yuan (Shenzhen) Technology Co., Ltd.
Address: 8/F, Zhongxing Building, Shajing Xinsha Road, Bao'an District, Shenzhen, Guangdong, China
Tel: 0755-22277778 13826586185
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