No laboratório, desde que um eletrodo detecte um sinal, prova que é "usable". Mas na prática clínica, cardiólogos precisam de eletrodos eletrocardiográficos que possam monitorizar contínuamente por vários dias sem desvio, neurocirurgiões precisam de eletrodos de interface neural que possam funcionar stabilmente no fluido cerebrospinal por vários anos, e endocriólogos precisam de sensores que possam ser implantados subcutaneamente para monitorizar contínuamente o açúcar no sangue.

Estes cenários representam uma restrição fundamental que o laboratório não se preocupa com os eletrodos:Durabilidade.

A amplitude dos sinais de eletrocardiograma está apenas na faixa de millivolt, enquanto os sinais de EEG estão na faixa de microvolt. No intervalo de frequência operacional de 10Hz a 10kHz, o elétrodo precisa mostrar características de impedância extremamente baixas e estáveis. Uma vez que a superfície do eletrodo corrode, o revestimento cai, ou o biofilme cobre no fluido corporal, a impedância da interface aumentará rapidamente, e os sinais fracos serão afogados por ruído, causando que os dados de monitoramento perdam valor clínico. Ao mesmo tempo, os materiais de eletrodos não devem liberar ións tóxicos ou desencadear reações de rejeição imunológica e devem cumprir os padrões de biocompatibilidade das séries ISO 10993 e GB/T 16886.

2[UNK] Diferenças de desempenho e lógica de seleção de três revestimentos de metal precioso

A camada funcional condutiva de eletrodos biomédicos é composta principalmente por três sistemas de metal preciosos: ouro, platino e cloreto de prata/prata. Os três têm seus próprios focos na condutividade, estabilidade química, atividade eletrocatalítica e biocompatibilidade.

Ouro (Au)A resistividade elétrica é de cerca de 2,44 μ Ω·cm, e a estabilidade química é extremamente alta. Não corrode ou libera íons tóxicos em ambientes fisiológicos. A superfície do ouro é facilmente modificada pela tiolação para imobilizar anticorpos ou aptamers, tornando-a adequada para o design integrado de "eletrodo como sensor". Em cenários que requerem implantação a longo prazo, a inerteza química do ouro torna-a o material de interface mais confiável.Instituto Avançado de TecnologiaA pureza testada do filme PEEK de cobertura de ouro é ≥ 99,99%, o intervalo de espessura é ajustado de 0,1 a 5 μm, e a uniformidade é ± 0,05 μm.

Platino (Pt)A resistência pode ser tão baixa quanto 1,65 μ Ω·cm, com a maior capacidade de transfer ência de carga e excelente atividade catalítica. Platino apresenta desempenho excelente na estimulação nervosa e sensação eletroquímica, especialmente adequado para eletrodos que requerem função de estimulação elétrica. A ligação de iridio de platino é comumente usada para aumentar a força mecânica e a resistência à corrosão dos eletrodos, para produzir eletrodos de longa vida.

Clorido de prata/prata (Ag/AgCl)É o sistema material mais clássico em eletrodos biopotenciais. A camada de cloreto de prata pode reduzir efeitos de polarização, estabilizar a transmissão do sinal e evitar desvio DC. A prata tem a melhor condutividade entre os três e possui propriedades antibacterias naturais. Mas a prata é propensa à oxidação e descoloração, e sua estabilidade a longo prazo é pobre. Estudos relacionados mostraram que o desempenho dos eletrodos Ag/AgCl se deteriora lentamente em cerca de 200 dias após a fabricação, após o qual a taxa de degradação e a probabilidade de fracasso crítico aumentam. Portanto, o sistema Ag/AgCl é mais adequado para diagnóstico clínico de curto prazo e cenários de uso disposto.

3[UNK] Seleção de substratos: A disputa "esqueleto" entre PEEK, LCP e PI

O substrato determina as propriedades mecânicas, a biocompatibilidade e a viabilidade de implantação do eletrodo. A seleção de substratos para eletrodos biomédicos é essencialmente um compromisso entre adaptação mecânica e estabilidade química a longo prazo.

Ketona de poliéter (PEEK)Tem excelente biocompatibilidade, estabilidade química e propriedades mecânicas. A microestrutura do filme PEEK pode alcançar arranjo direcional e ordenado em estrutura topológica, que tem valor único no design de eletrodos neurais compostos. PEEK tem baixa energia de superfície e alta cristalinidade, e sua força de ligação com metais é o desafio central do processo de revestimento. Tecnologia do Instituto Avançado adota um processo composto de depositação assistida por raio de ion de pulso de baixa temperatura de magnetrons sputtering para alcançar um teste de adesão de cobertura de nível 5B na superfície PEEK, sem blistering ou peeling após 48 horas de pulso de sal. Após 100 ciclos de choque térmico de -40 a 180, a adesão ainda mantém um nível de 5B e a taxa de mudança de resistência da camada de ouro é inferior a 2%.

Polimero Cristal Liquido (LCP)A taxa de absorção de água é inferior a 0,04%, e as propriedades dielétricas e de isolamento não se deteriorarão devido à infiltração de água após imersão a longo prazo no ambiente de fluido cerebrospinal. O array de eletrodos de filme fino baseado em LCP pode alcançar maior densidade de eletrodos e número de canais, com rigidez apenas 1/11 de eletrodos clínicos tradicionais. O array de eletrodos neurais de 25 canais baseado no LCP é preparado por eletroplatinação de ouro ou óxido de írio, e é superior aos eletrodos PI em termos de força de dobramento e flexibilidade.

Polimida (PI)É um dos substratos mais utilizados em eletrodos flexíveis. O substrato de filme PI com prato ouro da Tecnologia do Instituto Avançado pode ser tão fino quanto 5 μm, adequado para eletrodos de gravação cortical EEG com requisitos extremamente elevados de flexibilidade.

4[UNK] Processo de cobertura: Transformar a inerência química de metais preciosos em desempenho confiável a longo prazo

Transformar as vantagens teóricas dos revestimentos de metais preciosos em produtos eletrodos confiáveis depende do controle preciso dos processos nucleares. Tecnologia avançada do Instituto tem alcançado três avanços em processos na proposta de engenharia de eletrodos biomédicos.

• Avançamento na integração da interface - ativação do pré-tratamento plasma.Em resposta ao problema da indústria de força insuficiente de ligação entre substratos de metal e polímero, o processo de pré-tratamento plasma desenvolvido pela Advanced Institute Technology melhora efetivamente a força de ligação entre o substrato e a camada de metal bombardeando a superfície do substrato com plasma. Em conjunto com o design de revestimento gradiente, a transição de estresse de substrato para camada de metal é alcançada, evitando efetivamente a delaminação da interface causada por diferenças módulas. O revestimento tem uma centena de adesão à rede de nível 5B e uma força de delaminação superior a 0,8 N/mm.
• Avançamento na qualidade de cobertura - Electroplação de pulso.Introduzindo tecnologia de eletroplatagem de pulso, ao controlar exatamente o tempo de troca e a frequência da corrente, a porosidade do revestimento é efetivamente reduzida, e a densidade e uniformidade do revestimento são melhoradas. A baixa porosidade é crucial para a implantação a longo prazo: os microporos na camada de isolamento e revestimento são canais para penetração de vapor de água e ións, o que pode levar a atenuação de sinais e acoplamento elétrico.
• Avançamento na Proteção Ambiental e Segurança - Plateamento de Ouro livre de ciano.O uso de tecnologia de cobertura de ouro livre de ciano no processo de cobertura de ouro tem vantagens significativas na redução da poluição ambiental e melhoria da segurança operacional.

5[UNK] De materiais para dispositivos: pontos de seleção chave para três cenários principais de aplicação

6[UNK] Considerações de seleção: Decisões de engenharia desde a duração do implante até condições ambientais

• A duração do implante determina o caminho material.O diagnóstico de curto prazo (várias horas a vários dias) pode escolher o sistema Ag/AgCl; Monitorização usable a longo prazo (semanas a meses) deve escolher uma solução de cobertura de ouro; A implantação a longo prazo (vários anos) requer a seleção de substrato LCP ou PEEK com placa de ouro, e atenção deve ser prestada aos dados acelerados de vida.
• O ambiente líquido corporal é uma pedra de toque corrosiva.A composição química do fluido cerebrospinal, suor e sangue varia significativamente, e os requisitos de resistência à corrosão do revestimento também são diferentes. A inerência química do ouro é mais prominente entre os três metais preciosos, tornando-a adequada para serviço a longo prazo em ambientes líquidos corporais.
• A adesão e porosidade do revestimento determinam a confiabilidade a longo prazo.A adesão ao nível 5B (ASTM D3359 maior grau) é o limiar de processo para assegurar que o revestimento do eletrodo não se desliga durante dobramento repetido, implantação e serviço a longo prazo. A adesão do filme PEEK com placa de ouro permanece em nível 5B após 180 [UNK] ciclos de choque térmico, e a taxa de mudança de resistência da camada de ouro é inferior a 2%, o que é um dado de referência chave para avaliar a confiabilidade a longo prazo.
• A precisão do processamento satisfaz os requisitos de arrays de alta densidade.Sondas neurais de alto número de canais requerem precisão de padronização de nível de micrometros. Tecnologia do Instituto Avançado apoia um processo de cadeia completa, desde ativação da superfície, revestimento de vácuo, até revestimento de metal, e pode personalizar o sistema de revestimento e microestrutura de materiais eletrodos de acordo com diferentes necessidades de aplicação.

7[UNK] Conclusão

A essência dos eletrodos biomédicos é estabelecer um canal de sinal estável, baixo ruído e biológicamente amigável entre sistemas eletrônicos rígidos e tecidos biológicos suaves, húmidos e imunológicamente ativos. Utiliza substratos flexíveis (PEEK, LCP, PI) para corresponder às propriedades mecânicas do tecido, revestimentos de metais preciosos (ouro, platina, Ag/AgCl) para assegurar a qualidade do sinal, pré-tratamento do plasma e processos de eletroplatização de pulso para converter a inerência química de metais preciosos em desempenho confiável a longo prazo - os três trabalham juntos para responder a uma questão de engenharia central: como fazer o eletrodo "ficar" no corpo por vários anos enquanto ainda entende os sinais do corpo.

Desde diagnóstico clínico de eletrocardiograma à interface do computador cerebral, do monitoramento contínuo da glicose no sangue à regulação neural - eletrodos biomédicos estão empurrando testes médicos de "testes sanguíneos" a "monitoramento contínuo". Neste salto tecnológico de "in vitro" para "in vivo", o processo de revestimento sempre foi a variável central que determina o desempenho a longo prazo de eletrodos.