Elektroanatomisk kortlægning med ikke-trombogen, strækbare og aktive multielektrode arrays (MEA)

For at evaluere in vivo fysiologiske funktioner, elektrofysiologiske signaler skal overvåges med høj præcision og høj rumlig eller tidsmæssig opløsning. Ultrafleksibel, multielectrode arrays (MEA) blev for nylig fremstillet for at etablere konform kontakt på overfladerne af organer og til at måle elektrofysiologisk signaludbredelse ved høj rumlig-temporel opløsning. Imidlertid, plastsubstrater med et højt Young's modul inkorporeret i processen forårsagede vanskeligheder under implantation på grund af dynamisk bevægelsesbaseret hæmodynamik på overfladen af ​​hjertet. I en ny undersøgelse offentliggjort i Videnskab fremskridt , Wonryung Lee og kolleger har udviklet en aktiv MEA fremstillet til at demonstrere nontrombogenicitet, strækbarhed og stabilitet. Arrays tillod langvarig elektrokardiografisk (EKG) overvågning i de bankende hjerter hos rotter, selv med kapillær blødning. De målte EKG-signaler udviste et højt signal-til-støj-forhold (SNR) på 52 dB som et resultat af den aktive dataaflæsning.

I undersøgelsen, det nye strækbare MEA blev omhyggeligt designet ved hjælp af state-of-the-art ingeniørteknikker. Metoderne kombinerede ekstraordinært højforstærkede organiske elektrokemiske transistorer (OECT'er) behandlet på mikrogittersubstrater med en poly(3-methoxypropylacetat) (PMC3A) belægning. Processen lettede betydelige antitrombotiske egenskaber, mens den bibeholdt fremragende ionledningsevne.

Typisk, multielectrode arrays (MEA) bruges til at undersøge positionen af ​​aktive/inaktive celler, udbredelse af neurale signaler og netværk mellem flere neuroner. Arrays kan også bruges til at diagnosticere og behandle sygdom ved at måle biologiske signaler på flere punkter. Den første rapporterede in vitro MEA blev fremstillet på fladt glas for at måle cellulær excitation i dyrket myokardium, neuronale celler og udbredelse af signal fra hjerte- og hjerneskiver. De nyligt udviklede ikke -invasive in vivo MEA -arrays blev fremstillet på fleksibel plastfolie med evnen til at komme i kontakt med bløde og bevægelige levende væv. Under ingeniørprocessen, enhedens fleksibilitet bør øges for at lette MEA'er på komplekse strukturer i kroppen under implantation.

Konform kontakt på rynkede hjerneoverflader, for eksempel, kan opnås ved at reducere enhedens tykkelse til under to µm. Tilsvarende EKG-målinger kan udføres på huden tæt på hjertet via passive MEA'er på 3 µm polyimidsubstrater. De ultrafleksible egenskaber af aktive MEA'er blev demonstreret via glat kontakt til muskelceller, cerebral cortex samt elektromyografi (EMG) og elektrokortikografi (ECoG) målinger. En strækbar og blodkompatibel aktiv MEA er endnu ikke realiseret på grund af to hovedbegrænsninger. I begyndelsen, nedbrydning af enheden på grund af blodpropper fra kirurgisk blødning som følge af en høj Youngs modul blev set med polyimid- eller parylenpolymerer på trods af deres høje kompatibilitet. Derefter, det er også svært at konstruere højtydende aktive elementer med strækbarhed til at måle biologiske signaler. De aktive elementer krævede også høje forstærkningsfaktorer og lave drivspændinger.

I undersøgelsen, Lee et al. konstrueret en ultratynd, strækbar gittermønstret aktiv OECT (organisk elektrokemisk transistor) matrix til at måle fordelingen af ​​EKG-signaler med et signal-til-støj-forhold (SNR) på 52 dB via direkte kontakt på det bankende rottehjerte. Det aktive 4 x 4 OECT-array blev fremstillet med en total tykkelse på 2,6 µm og høj transkonduktans. Indretningen var fuldstændigt coatet med 100 nm tyk poly(3-methoxypropylacetat) (PMC3A) for at bibringe antitrombotiske egenskaber, samtidig med at fremragende ionledningsevne blev bibeholdt. Et EKG blev kortlagt fra hjerteoverfladen af ​​en rotte for at bestemme gennemførligheden af ​​4 x 4, ultra tynd, strækbar, antitrombotisk og aktivt OECT-array. På grund af den høje tilpasningsevne af gitterstrukturen, artefaktstøj forårsaget af dynamisk bevægelse optrådte ikke i de registrerede data. Ud over, på grund af dets antitrombotiske egenskaber, enheden var i stand til stabile målinger over lange tidsperioder, selv i et implantatmiljø med konsekvent blødning.

Det strækbare MEA indeholdende OECTS og gittersubstrater blev fremstillet på 1,2 µm parylensubstrater. De aktive lag af en tynd poly(3, 4-ethylendioxythiophen)polystyrensulfonat (PEDOT:PSS)-systemet og ledningerne blev opnået på et bikagegittersubstrat. Den honeycomb-gitterstruktur muliggjorde mekanisk stabilitet og strukturel strækbarhed, tidligere undersøgt eksperimentelt og via simulering. Det yderste lag PMC3A [poly(3-methoxypropylacetat)] muliggjorde høj blodkompatibilitet for at opretholde antitrombogenicitet. Enhedens strækbarhed muliggjorde dynamisk bevægelse på biologiske underlag.

Inden udførelse af biologiske forsøg in vivo, forfatterne vurderede systematisk enhedens elektriske og mekaniske karakter. Den elektriske ydeevne blev målt i forhold til arrayets transkonduktans, som indikerede tilstrækkeligt store mængder til at måle ECoG- eller EMG-signalerne fra rotter. Tykkelsen og vandkontaktvinklen på PMC3A-overfladerne viste konsistente resultater i forhold til tidligere undersøgelser. Hæmokompatibilitetsundersøgelser af PMC3A blev udført under anvendelse af blodpladeadhæsion ved at dyppe prøver i blodpladesuspensioner ekstraheret fra humant blod. Responstiden (τ) af OECT'er før og efter PMC3A-belægning blev målt efter en gate-spændingsimpuls blev påført med en varighed på et millisekund, hvilket indikerer, at dyppeprocessen af ​​PMC3A ikke ændrede OECT's elektriske egenskaber. De OECT-coatede PMC3As bekræftede også langsigtet elektrisk stabilitet.

Forskerne udførte derefter in vivo-undersøgelser i en rottemodel, hvor gennemførligheden af ​​de strækbare og hæmokompatible OECT-arrays blev udført via EKG-målinger på hjerteoverflader. De fysiologiske signaler blev målt under anvendelse af 4 x 4 rækken af ​​strækbare og hæmokompatible OECT'er ved at fastgøre dem til den blottede overflade af hjertet. Honeycomb-hullerne i det ultratynde substrat tillod konform kontakt mellem enhedsfilmen og hjerteoverfladen.

Signal-til-støj-forholdet for den PMC3A-belagte OECT registreret ved 51 dB 30 minutter efter vedhæftning svarede til værdien, der blev registreret lige efter vedhæftning. Den millisiemens rækkefølge af transkonduktans, der blev observeret i undersøgelsen, skyldtes vandpermeabiliteten af ​​PEDOT:PSS. Som resultat, transkonduktansen for OECT var 100 x højere end for Si-felt-effekt-transistorer (FET).

Forskerne demonstrerede også EKG-kortlægningssignaler ved hjælp af OECT-arrayet, når enheden blev placeret på en rottehjerteoverflade, der dækkede venstre og højre ventrikelområde. Belastningsimpedansen blev designet til at være 0 ohm for i det væsentlige at undertrykke krydstale i OECT-array som tidligere demonstreret. Rumlige spændingskort af alle noder på fire sekventielle tidspunkter blev visualiseret. Baseret på sensorens placering, de anatomiske signaler viste forskellige former. De strækbare og blodkompatible OECT-arrays registrerede med succes rumlig-tidsmæssig fordeling af EKG på rottehjerteoverflader med multiplexering.

I undersøgelsen, en høj SNR på 52 dB blev opnået på grund af to årsager; først, siden det lykkedes forfatterne at bruge OECT'er med høj transkonduktans i størrelsesordenen millisiemen. Højere med en faktor på 10 sammenlignet med enkeltkrystal Si FET ved tilstedeværelse af kirurgisk blødning, mens PMC3A-belægningen samtidig bibeholdt høj ionisk ledningsevne. Sekund, bevægelsesartefaktstøjen blev undertrykt af mikrogridarkitekturens høje tilpasningsevne:enheden kan klæbe til det dynamiske mål under bevægelse af hjertet. De strækbare og aktive MEA'er med ikke-trombogen PMC3A belægning vil muliggøre målinger af EKG, ECoG- eller EMG-signaler med højere nøjagtighed i yderligere prækliniske undersøgelser.

© 2018 Science X Network