Химия поверхности нервных имплантатов - Surface chemistry of neural implants - Wikipedia

Как и в случае с любым материалом, имплантированным в тело, важно минимизировать или исключить инородное тело ответ и максимальную эффективную интеграцию. Нервные имплантаты потенциально могут повысить качество жизни пациентов с такими ограниченными возможностями, как Болезнь Альцгеймера, Болезнь Паркинсона, эпилепсия, депрессия, и мигрень. Из-за сложности интерфейсов между нервным имплантатом и тканью мозга возникают побочные реакции, такие как инкапсуляция фиброзной ткани, которая препятствует функциональности. Модификации поверхности этих имплантатов могут помочь улучшить взаимодействие ткани и имплантата, увеличивая срок службы и эффективность имплантата.

Типичный набор электродов нервного имплантата.

Справочная информация о внутричерепных электродах

Внутричерепные электроды состоят из массивов проводящих электродов, имплантированных на полимер или кремний, или проволочного электрода с оголенным концом и изоляцией везде, где стимуляция или запись нежелательны. Биосовместимость имеет важное значение для всего имплантата, но особое внимание уделяется самим электродам, поскольку именно они обеспечивают желаемую функцию.

Проблемы с текущими внутричерепными электродами

Одна из основных физиологических проблем, текущая долговременные имплантированные электроды страдают от фиброзных глиальных инкапсуляций после имплантации. Эта инкапсуляция обусловлена ​​плохой биосовместимостью и биостабильностью (интеграция на жестком электроде и мягких тканей интерфейс) многих нейронных электродов, используемых сегодня. Инкапсуляция вызывает снижение интенсивности сигнала из-за повышенного электрического импеданса и уменьшения переноса заряда между электродом и тканью. Инкапсуляция снижает эффективность, производительность и долговечность.

Электрический импеданс является противодействием протеканию тока с приложенным напряжением, обычно представляемым как Z в единицах Ом (Ом). Импеданс электрода особенно важен, поскольку он напрямую связан с его эффективностью. Высокий импеданс вызывает плохую передачу заряда и, следовательно, плохую работу электродов для стимуляции или регистрации нервная ткань. Импеданс электрода связан с площадью поверхности на границе между электродом и тканью. В местах расположения электродов общий импеданс контролируется двухслойным емкость.^[1] Величина емкости напрямую связана с площадью поверхности. Увеличение площади поверхности на границе раздела электрод-ткань увеличивает емкость и, таким образом, снижает импеданс. Уравнение ниже описывает обратную зависимость между емкостью и импедансом.

${\displaystyle Z={\frac {1}{{i}\omega C_{b}+1/R_{b}}}}$

где i - мнимая единица, w - частота тока, C - емкость, R - сопротивление.

Желательный электрод должен иметь низкий импеданс, что означает большую площадь поверхности. Один из способов увеличения этой площади - покрытие поверхностей электродов различными материалами. Исследуются многие новые материалы и методы для улучшения поведения нервных электродов. В настоящее время проводятся исследования по увеличению биосовместимости и интеграции электродов в нервную ткань; это исследование обсуждается более подробно ниже.

Важность химии поверхности

Химия поверхности Количество имплантируемых электродов оказывается более серьезной проблемой при проектировании хронически имплантированных электродов по сравнению с теми, которые имплантируются только в короткие сроки. В случае острой имплантации основными проблемами являются: разрыв повреждение и деградация частиц, оставшихся после снятия электрода. Для хронически имплантированных электродов первоочередной задачей является клеточная реакция и инкапсуляция инородного тела в ткани независимо от деградации - даже для материалов с высокой биосовместимостью. Однако разложение по-прежнему нежелательно, поскольку частицы могут быть токсичными для тканей, могут распространяться по телу и даже вызывать аллергическую реакцию. Химия поверхности - это область науки, применимая к биологическим имплантатам. При рассмотрении приложений важны свойства объемного материала, однако именно поверхность материала (несколько верхних слоев молекул) определяет биологический отклик и, следовательно, является ключом к успеху имплантата.^[2] Имплантаты центральной нервной системы уникальны по своей клеточной реакции; здесь мало места для ошибки. Протезы в этих областях обычно представляют собой электроды или наборы электродов.

Электрохимические соображения

Электроды, особенно стимулирующие электроды, и высокая плотность тока, который они разряжают, могут вызывать электрохимические проблемы. Электроды будут окружены тканью и электролиты; стимуляция, возникающие в результате электрические поля и индуцированная поляризация изменяют локальные концентрации ионов и локальный pH, что может вызвать такие проблемы, как коррозия материала и загрязнение электродов.^[3]

Диаграммы поурбиакса покажет фазы, которые материал будет принимать в водной среде, на основе электрического потенциала и pH. Мозг поддерживает pH от 7,2 до 7,4, а от Диаграмма Пурбе из платина ^[3] видно, что при напряжении около 0,8 вольт Pt на поверхности окисляется до PtO2, а при около 1,6 вольт PtO2 окисляется до PtO3. Кажется, что эти напряжения не выходят за пределы разумного диапазона для нервной стимуляции. Напряжение, необходимое для стимуляции, может значительно измениться в течение срока службы одного электрода. Это изменение требуется для поддержания постоянного выходного тока за счет изменения сопротивления окружающей среды. Изменения сопротивления могут быть вызваны адсорбцией материала на электроде, коррозией электрода, заключением электрода в фиброзную ткань - известной как глиальный шрам или изменения химической среды вокруг электрода. Закон Ома V = я * р показывает взаимозависимость напряжения, тока и сопротивления. Когда изменение напряжения вызывает пересечение линий равновесия, как это видно на диаграмме Пурбе во время стимуляции, изменение поляризации электрода больше не является линейным.^[3] Нежелательная поляризация может привести к таким побочным эффектам, как коррозия, загрязнение и токсичность. Из-за этого равновесного потенциала при выборе материала следует учитывать pH и необходимую плотность тока, поскольку они могут повлиять на химический состав поверхности и биосовместимость имплантата.^[3]

Коррозия

Коррозия является серьезной проблемой с нервными электродами. Коррозия может возникнуть из-за того, что электродные металлы помещены в раствор электролита, где наличие тока может либо увеличить скорость механизмов коррозии, либо преодолеть ограничение энергии активации. Редокс реакции - это механизм коррозии, который может привести к растворению ионов с поверхности электрода. В ткани существует базовый уровень ионов металлов, однако, когда эти уровни превышают пороговые значения, ионы становятся токсичными и могут вызвать серьезные проблемы со здоровьем.^[4] Кроме того, может быть нарушена точность электродной системы. Знание импеданса электрода важно независимо от того, используется ли электрод для стимуляции или записи. Когда происходит разрушение поверхности электрода из-за коррозии, площадь поверхности увеличивается с увеличением ее шероховатости. Рассчитать импеданс нового электрода, чтобы компенсировать изменение площади поверхности после имплантации, непросто. Этот вычислительный недостаток может исказить данные при записи или создать опасное препятствие, ограничивающее безопасную стимуляцию.

Загрязнение электрода

Электрод обрастание является серьезным препятствием для работы электродов. Некоторые материалы являются полностью биоинертными, так как не вызывают реакции организма. Некоторые материалы, которые теоретически могут быть биоинертными, не могут быть идеальными на практике из-за дефектов при их формировании, обработке, производстве или стерилизации. Загрязнение может быть вызвано адсорбцией белков, фиброзной тканью, захваченными клетками или фрагментами мертвых клеток, бактериями или любой другой реактивной частицей. На адсорбцию белка влияет природа и геометрия доменов, включая гидрофобность, полярные и ионные взаимодействия материала и окружающих частиц, распределение заряда, кинетическое движение и pH.^[3] На фагоцитоз бактерий и других частиц в основном влияют поверхностный заряд, гидрофобность и химический состав имплантата. Важно отметить, что первоначальная среда, в которой имплантат подвергается после имплантации, отличается и уникальна по сравнению с окружающей средой по прошествии некоторого времени, так как область будет подвергаться заживлению раны; естественное заживление травмы организмом вызовет изменения местного pH, концентрации электролитов, а также наличия и активности биологических соединений.

Свойства металлов

По многим причинам известным и неизвестным, адсорбция белка варьируется от материала к материалу. Двумя наиболее важными определяющими факторами, которые наблюдались, являются шероховатость поверхности и свободная энергия поверхности.^[5] В случае открытых электродов желательно, чтобы слой адсорбированного белка был как можно тоньше, чтобы повысить чувствительность и производительность. Благородные металлы - очевидный выбор для достижения биосовместимости; однако, действуя в качестве электродов, некоторые из этих благородных металлов будут фактически участвовать в реакции, разрушаться и вызывать неблагоприятные эффекты через потерянные частицы. Наиболее (благородные металлы) - золото (Au), платина (Pt) и иридий (Ir).

Материал	Благородство (в вольтах, упрощенному произведению)	Поверхностная свободная энергия ${\displaystyle \gamma }$, (эВ / Å^2), в плоскости (111)[6]	RMS шероховатость @ до экспонирования; 7; 28 дней после воздействия (нм)[5]	Толщина белковой пленки (нм) @ 1; 7; 28 дней после воздействия[5]
Золото (Au)	1,42 В в Au^3+	0.078	1.4; 22; 68	13; 110; 340
Платина (Пт)	1,18 В к Pt^2+	0.137	0,8; 51; Икс	11; 113; Икс
Иридий (Ir)	1,156 В к Ir^3+	0.204	2.4; 29; 185	7; 108; 420
- x указывает на неверные данные. - благородство - это мера потенциала, необходимого для химического восстановления материала; они были измерены относительно стандартного водородного электрода. - Шероховатость RMS - это мера отклонения от средней плоскости. - Белок измерялся in vitro с помощью эллипсометрии и ступенчатой ​​атомно-силовой микроскопии с металлом в разбавленном растворе плазмы. Это очень похоже на внеклеточную жидкость, которая, как предполагается, содержит белки, которые впервые контактируют с поверхностью, и образуют первый адсорбированный слой. Как указывалось ранее, этот первый слой определяет адсорбцию с этого момента.

${\displaystyle \gamma ={\frac {(E_{s}-E_{b})}{2A}}}$

• ${\displaystyle \gamma }$ = Свободная энергия поверхности
• E_s = Полная энергия на элементарную ячейку на поверхности
• E_б = Общая энергия на элементарную ячейку в массе материала
• А = Площадь поверхности

Свойства титан также были исследованы в исследовании, в котором были получены данные^[3] однако для приведенной выше таблицы его свойства здесь не перечислены, поскольку его плохие проводящие свойства делают его непригодным для нервных имплантатов. Понимание химического состава поверхности титана может дать направление дальнейшим исследованиям. Титан - самый грубый и самый гидрофильный поверхность любого металла, описанного до сих пор (важность адсорбции белка, ее механизмы и взаимодействие гидрофильных свойств обсуждаются далее в гидрогели раздел страницы). Титан адсорбировал самый толстый слой белка после первого дня и все еще после седьмого дня, но фактически его толщина уменьшилась к 28-му дню. Белковые слои золота, платины и иридия продолжали расти до 28-го дня, но со временем скорость замедлялась.^[5]

Еще два проводящих материала, которые обладают заметными характеристиками: вольфрам и оксид индия и олова. Вольфрам является электропроводным и может производиться до очень тонкой точки, и по этой причине он использовался при внутриспинальной микростимуляции (ISMS) для картирования спинного мозга во время терминальных операций. Однако вольфрамовые электроды могут вызывать коррозию и образовывать ионы вольфрама в присутствии H₂О₂ и / или O₂. Было замечено, что вольфрамовая кислота очень токсична для мотонейронов кошек,^[7] и по этой причине в настоящее время не производит подходящий материал для хронических имплантатов. Оксид индия и олова (ITO) использовался в качестве электродного материала для исследований in vitro. ITO-электроды очень точны при стимуляции и регистрации, а при размещении среди белков плазмы образуют и поддерживают самый тонкий белковый слой по сравнению с другими материалами, упомянутыми выше.^[5] Он может иметь потенциал острого использования in vivo, но со временем было замечено, что он выпускает частицы, вызывающие высокотоксичные эффекты.^[8]

Механические приспособления

В последние годы были исследованы и реализованы различные механические приспособления, такие как геометрия наконечника и шероховатость поверхности, чтобы помочь в дизайне нервного имплантата. Геометрия электрода влияет на форму излучаемого электрического поля. Форма электрического поля, в свою очередь, влияет на плотность тока, создаваемого электродом. Определение оптимальной шероховатости поверхности нервных имплантатов оказывается сложной задачей. Гладкие поверхности могут быть предпочтительнее более грубых, поскольку они могут снизить вероятность бактериальной адсорбции и инфекции. Гладкие поверхности также затруднили бы возникновение коррозионной ячейки. Однако создание более шероховатой пористой поверхности может оказаться полезным по крайней мере по двум причинам: уменьшение поляризации потенциала на поверхности электрода в результате увеличения площади поверхности и уменьшения плотности тока, а также уменьшение толщины инкапсуляции фиброзной ткани из-за возможности для ткани врастание. Было установлено, что если соединенные между собой поры размером от 25 до 150 микрометры может произойти врастание ткани, которое может уменьшить толщину внешней оболочки ткани примерно в 10 раз (по сравнению с гладким электродом, таким как полированный платино-иридиевый электрод).^[3]

Покрытия

Различные покрытия материалов для поверхностей нервных электродов исследуются для улучшения долговременной интеграции электродов в нервной ткани за счет улучшения биосовместимости, механических свойств и переноса заряда между электродом и живой тканью. Функциональность электрода может быть увеличена путем добавления модификации поверхности электрода из проводящего пористого полимера с включением пептидов клеточной адгезии, белков и противовоспалительных препаратов.^[9]

Проводящие полимеры

Полимеры, особенно проводящие, широко используются для покрытия поверхностей электродов. Проводящие полимеры представляют собой органические материалы, которые обладают свойствами, аналогичными металлам и полупроводникам по способности проводить электричество и привлекательным оптическим свойствам.^[9] Эти материалы имеют шероховатую поверхность, что приводит к большой площади поверхности и плотности заряда. Было показано, что проводящие полимерные покрытия улучшают характеристики и стабильность нервного электрода.

Было показано, что проводящие полимеры снижают импеданс электродов (важное свойство, как упомянуто выше), увеличивают плотность заряда и улучшают механическую границу раздела между мягкой тканью и твердым электродом. Пористая (шероховатая) структура многих токопроводящих полимерных покрытий на электроде увеличивает площадь поверхности.^[9] Большая площадь поверхности проводящих полимеров напрямую связана с уменьшением импеданса и улучшением переноса заряда на границе раздела ткань-электрод. Эта улучшенная передача заряда позволяет улучшить запись и стимуляцию в нейронном приложении. В таблице 2 ниже показаны некоторые общие значения импеданса и плотности заряда различных электродов на частоте 1 кГц, которая является характеристикой биологической активности нейронов. Пористое покрытие с большой площадью поверхности из проводящего полимера обеспечивает адгезию клеток-мишеней (повышенную интеграцию клеток и тканей), что увеличивает биосовместимость и стабильность устройства.

Тип электрода	Импеданс на 1 кГц (кОм)	Плотность заряда (мКл · см^−2)[10]
Голый золотой электрод	400 [11]	3.1 [10]
Золотой электрод с покрытием PPy / PSS	<10 [12]	63.0 [10]
Золотой электрод с покрытием PEDOT	3–6 [13]	54.6 [10]

Модуль упругости границы раздела полимерного покрытия между твердым электродом и поверхностью мягкой ткани

Проведение полимерных покрытий, как упомянуто выше, может значительно улучшить границу раздела между мягкой тканью тела и твердой поверхностью электрода. Полимеры более мягкие, что уменьшает воспаление из-за несоответствия деформации между тканью и поверхностью электрода. Уменьшение воспалительной реакции вызывает уменьшение толщины глиальной инкапсуляции, что вызывает дегенерацию сигнала. Модуль упругости кремния (распространенного материала, из которого делают электроды) составляет около 100 ГПа, а для ткани мозга - около 100 кПа.^[14] Модуль (жесткость) электрода примерно в 100 раз больше, чем у ткани мозга. Для лучшей интеграции устройства в корпус важно, чтобы жесткость между ними была как можно более одинаковой. Чтобы улучшить эту границу раздела, на поверхность электрода можно нанести проводящее полимерное покрытие (с меньшим модулем упругости, чем у электрода), которое заставляет градиент механических свойств действовать как посредник между твердой и мягкой поверхностями. Добавленное полимерное покрытие снижает жесткость электрода и позволяет лучше интегрировать электрод. На рисунке справа показан график изменения модуля при нанесении полимерного покрытия на электрод.

Обработка токопроводящих полимерных покрытий

Еще одним преимуществом использования проводящих полимеров в качестве покрытия для нейронных устройств является простота синтеза и гибкость в обработке.^[9] Проводящие полимеры могут быть непосредственно «нанесены на поверхности электродов с точно контролируемой морфологией».^[14] Существует два современных способа нанесения проводящих полимеров на поверхности электродов: химическая полимеризация и электрохимическая полимеризация. При изготовлении нервных имплантатов электрохимическая полимеризация используется из-за ее способности создавать тонкие пленки и простоты синтеза. Пленки могут быть размером порядка 20 нм.^[14] Электрохимическая полимеризация (электрохимическое осаждение) выполняется с использованием трехэлектродной конфигурации в растворе мономера желаемого полимера, растворителя и электролита (допанта). В случае нанесения полимерного покрытия на электрод обычно используется допант - полистиролсульфонат или PSS из-за его стабильности и биосовместимости.^[14] Два распространенных проводящих полимера, исследуемых для покрытий, используют PSS в качестве легирующей примеси для электрохимического осаждения на поверхность электрода (см. Разделы ниже).

Исследуемые специфические проводящие полимеры

Полипиррол

Одним из проводящих полимерных покрытий, показавших многообещающие результаты для улучшения характеристик нервных электродов, является полипиррол (PPy). Полипиррол обладает отличной биосовместимостью и проводящими свойствами, что делает его хорошим вариантом для использования в нервных электродах. Было показано, что PPy хорошо взаимодействует с биологическими тканями. Это происходит из-за границы, которую он создает между твердым электродом и мягкими тканями. Было показано, что PPy поддерживает клеточную адгезию и рост ряда различных типов клеток, включая первичные нейроны, что важно в нервных имплантатах.^[12] PPy также снижает импеданс электродной системы за счет увеличения шероховатости на поверхности. Шероховатость на поверхности электрода напрямую связана с увеличенной площадью поверхности (увеличенный интерфейс нейрона с электродом), что увеличивает проводимость сигнала. В одной статье полипиррол (PPy) был легирован полистиролсульфонатом (PSS) для электрохимического осаждения полипиррольного покрытия на поверхности электрода. Пленка наносилась на электрод разной толщины, увеличивая шероховатость. Повышенная шероховатость (увеличенная эффективная поверхность) приводит к уменьшению общего импеданса электрода с примерно 400 кОм (неизолированный стент) до менее 10 кОм (покрытие PPy / PSS) на частоте 1 кГц.^[12] Это уменьшение импеданса приводит к улучшенной передаче заряда от электрода к ткани и в целом более эффективному электроду для записи и стимуляции.

Поли (3,4-этилендиокситиофен) (ПЕДОТ)

Поли (3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT) - еще один проводящий полимер, который исследуется для покрытия поверхности электрода. Некоторые преимущества PEDOT по сравнению с PPy заключаются в том, что он более устойчив к окислению и более проводящий; однако PPy намного дешевле. Как и PPy, PEDOT снижает электрическое сопротивление. В одной статье покрытие PEDOT было электрохимически нанесено на золотые записывающие электроды.^[15] Результаты показали, что импеданс электрода значительно уменьшился при добавлении покрытия PEDOT. Немодифицированные золотые электроды имели импеданс 500–1000 кОм, а модифицированный золотой электрод с покрытием PEDOT имел импеданс 3–6 кОм.^[13] В документе также показано, что взаимодействие между полимером и нейронами улучшает стабильность и долговечность электрода. Исследование пришло к выводу, что при добавлении проводящего полимера сопротивление электродной системы уменьшилось, что увеличило перенос заряда, что сделало электрод более эффективным. Легкость и контроль электрохимического осаждения проводящих покрытий на поверхности электродов делают его очень привлекательной модификацией поверхности для нервных электродов.

Факторы роста и фармацевтические агенты

Нейральные клетки-предшественники (NPC)

На рисунке слева показана исходная поверхность кремния с углом контакта 27,3 ± 1,4 градуса. На рисунке справа показана поверхность с ламинином, имеющая угол контакта 85,0 ± 1,6 градуса. Углы могут быть измерены с помощью гониометра угла контакта.

Посев имплантатов факторами роста, такими как нейральные клетки-предшественники (NPC), улучшает интерфейс мозг-имплант. NPC - это клетки-предшественники, которые обладают способностью дифференцироваться в нейроны или клетки головного мозга. Покрытие имплантата NPC может уменьшить реакцию на инородное тело и улучшить биосовместимость. Для прикрепления НПЦ требуется предварительная модификация поверхности имплантата; эти модификации могут быть выполнены путем иммобилизации ламинин (ан внеклеточный матрикс производный белок) на имплантате, таком как кремний. Чтобы убедиться в успешности иммобилизации поверхности, Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR) и можно использовать анализ гидрофобности. Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье может использоваться для характеристики химического состава поверхности, или гониометр угла смачивания может использоваться для определения угла смачивания воды для определения гидрофобности. Более высокий угол смачивания указывает на более высокую гидрофобность, что свидетельствует об успешной модификации поверхности с помощью белка ламинина. Поверхность с иммобилизованным ламинином способствует прикреплению и росту NPC, а также позволяет их дифференцировать, тем самым уменьшая глиальный ответ и реакцию инородного тела на имплант.^[16]

Факторы роста нервов (NGF)

С помощью фактор роста нервов (NGF) в качестве сопутствующего нейротрофического агента может вызывать идеальные клеточные ответы in vivo. NGF - это водорастворимый белок, который способствует выживанию и дифференцировке нейронов. Добавление NGF в полимерные пленки может вызвать биологические взаимодействия без ухудшения проводящих свойств или морфологии полимерной пленки. В качестве электродных покрытий можно использовать различные полимеры, такие как PPy, PEDOT, а также коллаген. Расширенные нейриты как для PPy, так и для PEDOT показывают, что NGF является биологически активным.^[16]

Противовоспалительные препараты

Химическая структура дексаметазона, глюкокортикоида, который используется как противовоспалительное и иммунодепрессивное средство.

Изображены свойства механизма высвобождения инкапсулированного DEX в наночастицах через поры гидрогелевой сети. Кроме того, показано количество DEX, которое было загружено в наночастицы, а также диапазон размеров частиц (400-600 нм).

Дексаметазон (DEX) - это глюкокортикоид, который используется как противовоспалительное и иммунодепрессивное средство. PLGA наночастицы загруженный DEX методом испарения эмульсии масло-в-воде / растворителя, может быть встроен в альгинатные гидрогелевые матрицы. Для количественной оценки количества DEX, которое успешно внедрилось в наночастицу, можно использовать УФ-спектрофотометрию. Было показано, что количество DEX, которое может быть успешно загружено в наночастицы, составляет ≈13 мас.%, А типичный размер частиц находится в диапазоне от 400 до 600 нм.

Тесты in vitro показали, что импеданс покрытых наночастицами покрытых гидрогелем электродов имеет такое же сопротивление, что и непокрытый электрод (голое золото). Это показывает, что гидрогелевое покрытие, содержащее наночастицы, не оказывает значительного влияния на электрический транспорт. В in vivo Испытания показали, что амплитуда импеданса электродов, нагруженных DEX, поддерживалась на том же уровне, что и изначально. Однако электроды без покрытия имели импеданс примерно в 3 раза больше, чем его первоначальный импеданс двумя неделями ранее. Это добавление противовоспалительных препаратов с помощью наночастиц указывает на то, что эта форма модификации поверхности не оказывает отрицательного влияния на характеристики электродов.^[14]

Гидрогели

Гидрогель модификации, как и другие покрытия, предназначены для улучшения реакции организма на имплантат и, таким образом, улучшения их консистенции и долговременных характеристик. Модификации поверхности гидрогеля достигают этого за счет значительного изменения гидрофильность поверхности нервного имплантата на менее благоприятную для адсорбция белка.^[17] В целом адсорбция белка увеличивается с увеличением гидрофобность в результате уменьшения Энергия Гиббса от энергетически выгодной реакции (как показано в уравнении ниже)^[2]

${\displaystyle \Delta _{ads}G=\Delta _{ads}H-T\Delta _{ads}S}$

Молекулы воды связаны как с белками, так и с поверхностью имплантата; когда белок связывается с имплантатом, молекулы воды высвобождаются, что приводит к увеличению энтропии и снижению общей энергии в системе.^[18] Для гидрофильных поверхностей эта реакция энергетически невыгодна из-за сильного прикрепления воды к поверхности, следовательно, снижения адсорбции белка. Снижение адсорбции белка полезно для имплантата, поскольку оно ограничивает способность организма распознавать имплант как инородный материал, а также прикреплять потенциально вредные клетки, такие как астроциты и фибробласты которые могут создавать волокнистые глиальные рубцы вокруг имплантата и препятствуют процессам стимуляции и регистрации. Повышение гидрофильности также может улучшить передачу электрического сигнала за счет создания стабильного слоя ионной проводимости. Однако слишком большое увеличение содержания воды в гидрогеле может вызвать набухание и, в конечном итоге, механическую нестабильность.^[17] Для оптимизации эффективности покрытия имплантата необходимо создать соответствующий водный баланс.

Белки

Значительная неспецифическая адсорбция белка во время имплантации может вызвать побочные эффекты. Однако некоторые белки могут быть полезными для стабилизации имплантата за счет уменьшения микродвижения и миграции имплантата, а также улучшения качества сигнала за счет увеличения связи нейронов; улучшение долгосрочной производительности. Вместо того, чтобы полагаться на то, что нативные клетки секретируют эти белки, их можно добавить на поверхность материала до имплантации. В модификация поверхности биоматериалов белками было сделано с большим успехом в различных областях тела. Однако, поскольку анатомия мозга отличается от остального тела, типы белков, которые должны использоваться в этих приложениях, отличаются от тех, которые используются где-либо еще. Белки вроде ламинин что способствует росту нейронов и L1 которые способствуют отрастанию аксонов, показали большие перспективы в приложениях для модификации поверхности; L1 в большей степени, чем ламинин, из-за уменьшения прикрепления, связанного с астроцитами - клетками, ответственными за образование глиальных рубцов.^[19]Белки обычно добавляются к поверхности материала через самоорганизующийся монослой (SAM) формирование.

Рекомендации

1. Джаяприя, Дж; и другие. (2012). «Изготовление и характеристика биосовместимых углеродных электродов». Композиты Часть B: Инженерия. 43 (3): 1329–1335. Дои:10.1016 / j.compositesb.2011.10.019.
2. Mikos, A.G .; Теменофф, И. (2008). «Биоматериалы: пересечение биологии и материаловедения»: 138–152.
3. Beard, R.B .; и другие. (1992). «Соображения биосовместимости при взаимодействии стимулирующих электродов». Анналы биомедицинской инженерии. 20 (3): 395–410. Дои:10.1007 / bf02368539. PMID  1443832.
4. Сарджант, Госвами (2007). «Имплантаты бедра - Документ VI - Концентрации ионов». Материалы и дизайн. 28: 155–171. Дои:10.1016 / j.matdes.2005.05.018.
5. Сельвакумаран, Джамунанитхи; и другие. (2008). «Адсорбция белка на материалах для участков записи на имплантируемых микроэлектродах» (PDF). J Mater Sci: Mater Med. 19 (1): 143–151. Дои:10.1007 / s10856-007-3110-x. PMID  17587151. S2CID  829137.
6. Потребности, R; Мэнсфилд, М. (1989). «Расчеты тензора поверхностных напряжений и поверхностной энергии поверхностей (111) иридия, платины и золота». J Mater Sci: Mater Med. 1 (41): 7555–7563. Bibcode:1989JPCM .... 1.7555N. Дои:10.1088/0953-8984/1/41/006.
7. Schwindt, P.C .; Испания, Вт .; Крилл, W (1984). «Эпилептогенное действие геля вольфрамовой кислоты на мотонейроны поясницы кошки». Brain Res. 291 (1): 140–144. Дои:10.1016/0006-8993(84)90660-7. PMID  6697179. S2CID  20368602.
8. Лисон, Д; и другие. (2009). «Спеченные частицы оксида индия-олова (ITO): новое пневмотоксическое вещество». Промышленная токсикология и медицина труда, Лувенский католический университет, Брюссель: 472–481. PMID  19176593.
9. Гимар, Натали; и другие. (2007). «Проводящие полимеры в биомедицинской инженерии». Прогресс в науке о полимерах. 32 (8–9): 876–921. Дои:10.1016 / j.progpolymsci.2007.05.012.
10. Харрис, Александр Р; Морган, Симеон Дж; Чен, Джун; Капса, Роберт М. Я; Уоллес, Гордон Дж. Паолини, Антонио G (2013). «Проводящие нейронные записывающие электроды с полимерным покрытием». Журнал нейронной инженерии. 10 (1): 016004. Bibcode:2013JNEng..10a6004H. Дои:10.1088/1741-2560/10/1/016004. ISSN  1741-2560. PMID  23234724.
11. Грин, Райли А .; Ловелл, Найджел Х .; Уоллес, Гордон Дж .; Пул-Уоррен, Лаура А. (2008). «Проводящие полимеры для нейроинтерфейсов: проблемы разработки эффективного долгосрочного имплантата». Биоматериалы. 29 (24–25): 3393–3399. Дои:10.1016 / j.biomaterials.2008.04.047. ISSN  0142-9612. PMID  18501423.
12. Цуй, Синьянь; и другие. (2001). «Электрохимическое осаждение и характеристика проводящего полимера полипиррола / PSS на многоканальных нейронных зондах». Датчики и исполнительные механизмы A: физические. 93: 8–18. Дои:10.1016 / S0924-4247 (01) 00637-9.
13. Людвиг, Кип; и другие. (2011). «Полимерные покрытия PEDOT облегчают использование нейронных записывающих электродов меньшего размера». Нейронная инженерия. 8 (1): 014001. Дои:10.1088/1741-2560/8/1/014001. HDL:2027.42/90823. ЧВК  3415981. PMID  21245527.
14. Донг-Хван, Ким; и другие. (2008). «Глава 7: Мягкие, нечеткие и биоактивные проводящие полимеры для улучшения хронических характеристик нервных протезных устройств». Постоянные нейронные имплантаты: стратегии борьбы с окружающей средой in vivo.
15. Цуй, Синьянь; и другие. (2003). «Электрохимическое осаждение и характеристика поли (3,4-этилендиокситиофена) на нейронных массивах микроэлектродов». Датчики и исполнительные механизмы B: химические. 89 (1–2): 92–102. Дои:10.1016 / s0925-4005 (02) 00448-3.
16. Аземи, Э; и другие. (2010). «Посев нейральных клеток-предшественников на кремниевые нейронные зонды». Журнал нейрохирургии. 113 (3): 673–681. Дои:10.3171 / 2010.1.jns09313. PMID  20151783.
17. Ли, Рао; и другие. (2012). «Полиэтиленгликольсодержащие полиуретановые гидрогелевые покрытия для улучшения биосовместимости нервных электродов». Acta Biomaterialia. 8 (6): 2233–2242. Дои:10.1016 / j.actbio.2012.03.001. PMID  22406507.
18. Дитшвайлер, Кони; Сандер, Майкл (2007). «Адсорбция белка на твердых поверхностях»: 8.
19. Аземи, Эрдрин; Stauffer, William R .; Gostock, Mark S .; Lagenaur, Carl F .; Цуй, Синьян Трейси (2008). «Поверхностная иммобилизация молекулы нервной адгезии L1 для улучшения биосовместимости хронических нервных зондов: характеристика in vitro». Acta Biomaterialia. 4 (5): 1208–1217. Дои:10.1016 / j.actbio.2008.02.028. ISSN  1742-7061. PMID  18420473.