Electrophoretic Deposition of Laser-generated Platinum- and Platinum-Alloy Nanoparticles onto Neural Electrode Surfaces

Platinum-based neural electrodes are used for implantation in the brain for recording neuronal activity and for acute or chronic neural stimulation, such as deep brain stimulation (DBS). For diseases like Parkinson’s, epilepsy, depression, deafness, spinal cord injuries, blindness, advanced tremors, etc., there is no complete cure. Therefore, to reduce the severity of the symptoms and to improve the patient’s quality of life, DBS is often performed. Although neural electrodes have been clinically used for a long time now, there are some drawbacks such as the increase in electrode impedance (Z) due to gliosis formation that reduces the efficacy of the electrodes to record or stimulate the neurons. Due to increasing Z, higher currents are required for better stimulation, which consequently reduces the battery life of the pulse generator. To eliminate these challenges faced by neurosurgeons, research has been carried out by modifying the surface topography using various methods to increase the electrochemical surface area (ECSA) and thereby reducing the Z. Various surface modification techniques have been employed for this purpose: chemical modifications, laser patterning, electrodeposition, vapor deposition, self-assembly, etc. One of the rising techniques is the electrophoretic deposition (EPD) of laser-generated ligand-free nanoparticles (NPs) onto platinum (Pt) electrode surfaces. It is one of the most versatile and simple methods without requiring complex equipment or processing tools. By the application of external electric fields, the colloidal NPs dispersed in water are subjected to a movement towards the oppositely charged electrode, on which the deposition takes place. The deposition output can be easily modified by simply adjusting the process parameters like time, field strength, solvent concentration, etc. Previously, our group focused on optimizing the EPD parameters of PtNP deposition on 2D flat targets. Varying diameters of these spherical NPs were coated on neural electrodes and their in vivo behavior for a period of three weeks was investigated. In this work, the established 2D EPD parameters were further optimized to obtain a parameter set for 3D neural electrode targets that produce homogeneous, sub-monolayer depositions. When comparing direct current (DC) and pulsed DC (PDC) fields, the latter produced homogeneous deposits decreasing the Z. To investigate the solvent influence on the deposits, ethanol-water mixtures were used for dispersing PtNPs, in which the 30% ethanol-water ratio produced a seven-fold increase in ECSA and a significant decrease in Z. Investigations were also carried out by coating PtW and PtIr alloy NPs, that are commonly seen in the base material composition of neural electrodes. In comparison to pure Pt, the Pt90Ir10 combination resulted in a significant decrease in the Z. Subsequently, the PtNP-coated neural electrodes were implanted into the subthalamic nucleus of rats and stimulated for a period of four weeks. It was observed that the PDC coatings could lower and stabilize the in vivo Z. Finally, to study the applicability of PDC-coated neural electrodes in the real world, a systematic investigation of their mechanical stability was performed confirming their suitability in clinical applications. Therefore, it was demonstrated that the EPD of laser-generated ligand-free colloidal PtNPs on neural electrode surfaces is an exciting and time-saving approach to efficiently modify the implant surfaces and enhance their performances.

Neuroelektroden auf Platin (Pt) werden zur Implantation in das Gehirn für die Aufzeichnung der neuronalen Aktivität und für die akute/chronische Nervenstimulation, wie die tiefe Hirnstimulation (DBS), verwendet. Für Krankheiten wie Parkinson, Epilepsie, Depression, Taubheit, Blindheit, Rückenmarksverletzungen, Zittern usw. gibt es keine vollständige Heilung. Um die Schwere der Symptome zu verringern und die Lebensqualität der Patienten zu verbessern, wird daher häufig eine DBS durchgeführt. Obwohl Neuroelektroden schon seit langem klinisch eingesetzt werden, gibt es einige Nachteile, wie z. B. die Erhöhung der Elektrodenimpedanz (Z) aufgrund der Gliosebildung, die die Wirksamkeit der Elektroden bei der Stimulation der Neuronen verringert. Aufgrund der Zunahme von Z sind für eine bessere Stimulation höhere Ströme erforderlich, was die Lebensdauer der Batterie des Impulsgenerators verkürzt. Um diese Herausforderungen für die Neurochirurgen zu beseitigen, wurde die Oberflächentopographie mit verschiedenen Methoden modifiziert, um die elektrochemische Oberfläche (ECSA) zu vergrößern und dadurch Z zu verringern. Zu diesem Zweck wurden verschiedene Oberflächenmodifizierungsverfahren eingesetzt: chemische Modifikationen, Laserstrukturierung, Elektrodeposition, Dampfabscheidung, Selbstmontage usw. Eine der aufkommenden Techniken ist die elektrophoretische Abscheidung (EPD) von lasergenerierten ligandenfreien Nanopartikeln (NPs) auf Pt-Elektrodenoberflächen. Es handelt sich um eine der vielseitigsten & einfachsten Methoden, die keine komplexen Geräte oder Verarbeitungswerkzeuge erfordert. Durch Anlegen äußerer elektrischer Felder werden die in Wasser dispergierten kolloidalen Nanopartikel in Richtung der entgegengesetzt geladenen Elektrode bewegt, auf der die Abscheidung erfolgt. Die Abscheidungsleistung lässt sich durch einfache Anpassung der Prozessparameter wie Zeit, Feldstärke, Lösungsmittelkonzentration usw. leicht verändern. In der Vergangenheit hat sich unsere Gruppe auf die Optimierung der EPD-Parameter für die Abscheidung von PtNP auf 2D-Targets konzentriert. Diese sphärischen NPs mit unterschiedlichen Durchmessern wurden auf Neuroelektroden aufgebracht und ihr In-vivo-Verhalten über einen Zeitraum von 3 Wochen untersucht. In dieser Arbeit wurden die etablierten 2D-EPD-Parameter weiter optimiert, um einen Parametersatz für neurale 3D-Elektroden-Targets zu erhalten, der homogene, submonolagige Ablagerungen erzeugt. Um den Einfluss von Lösungsmitteln auf die Ablagerungen zu untersuchen, wurden Ethanol-Wasser-Gemische zur Dispergierung von PtNPs verwendet, wobei das 30%-ige Ethanol-Wasser-Verhältnis zu einer 7-fachen Erhöhung der ECSA und einer signifikanten Verringerung von Z führte. Die Untersuchungen wurden auch durch die Beschichtung von PtW- und PtIr-Legierungs-NPs durchgeführt, die häufig in der Basismaterialzusammensetzung Neuroelektroden vorkommen. Im Vergleich zu reinem Pt führte die Pt90Ir10-Kombination zu einer signifikanten Verringerung des Z. Anschließend wurden die mit PtNP beschichteten Neuroelektroden in den Nucleus subthalamicus von Ratten implantiert & über 4 Wochen stimuliert. Es wurde festgestellt, dass die PDC-Beschichtungen den Z-Wert in vivo senken & stabilisieren konnten. Schließlich, die Anwendbarkeit von PDC-beschichteten Neuroelektroden in der Praxis zu untersuchen, wurde eine systematische Prüfung ihrer mechanischen Stabilität durchgeführt, die ihre Eignung für klinische Anwendungen bestätigt. Es konnte daher gezeigt werden, dass die EPD von lasergenerierten PtNPs auf Neuroelektrodenoberflächen ein interessanter und zeitsparender Ansatz ist, um die Implantatoberflächen effizient zu modifizieren und ihre Leistung zu verbessern.

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