Iridium oxide-carbon hybrid materials as electrodes for neural systems. Electrochemical synthesis and characterization

Abstract

El desarrollo de interfaces neuronales requiere el uso de nuevos materiales electroactivos y biocompatibles, que al aplicar campos eléctricos no causen efectos secundarios que pueden dañar los tejidos o degradar la funcionalidad del electrodo. A día de hoy, existen diferentes materiales electroactivos que se usan como electrodos en el sistema nervioso: oro, platino, carbón, Pt-Ir o IrOx entre otros, siendo este último el que ha mostrado superiores resultados. Una alta eficiencia electroquímica, estabilidad en condiciones biológicas y biocompatibilidad, han hecho del IrOx el material más prometedor como electrodo para estimulación y registro de señales neuronales. Sin embargo, los avances tecnológicos han generado una demanda de nuevos materiales con propiedades mejoradas y con menos inconvenientes que los actuales (bajos valores de capacidad de carga o la rigidez inherente de este tipo de óxidos, ya que presentan poca compatibilidad con los tejidos blandos). Estas mejoras se pueden conseguir con el uso de materiales híbridos, que unan las diferentes propiedades de los componentes. En este sentido, se han preparado electroquímicamente híbridos IrOx-CNTs, con propiedades mejoradas tras la adicción de nanotubos de carbono. La composición química de estos híbridos es muy parecida a la obtenida para IrOx, aunque la incorporación de nanotubos de carbono hace la superficie más rugosa, aumentando de esta manera el área superficial del material. Estas propiedades, junto con el aumento de la conductividad proporcionada por los nanotubos de carbono, tienen como consecuencia elevados valores de capacidad de carga electroquímica. También, la estabilidad de las capas resultantes mejora en comparación con las muestras de IrOx. Las pruebas de biocompatibilidad realizadas a las muestras IrOx-CNTs han mostrado una alta supervivencia y funcionalidad neural, parecida a la obtenida con IrOx o borosilicato (usado como referencia). Estos datos, validan este tipo de nuevos materiales como prometedores electrodos neurales. También se han preparado híbridos de IrOx con grafito y grafeno. En ambas capas, se ha observado la presencia de partículas de carbón, aunque la presencia de grafeno de única lámina no ha podido ser confirmada, y serán necesarios más experimentos. Las propiedades electroquímicas de estos híbridos, IrOx-grafito e IrOx-grafeno, son similares a las obtenidas para IrOx-CNTs, pero con mayores valores de capacidad de carga. Sin embargo, la estabilidad electroquímica es pobre para el híbrido de grafito, y finalmente la capa se despega, debido presuntamente, a la estructura heterogénea de los híbridos de grafito, en la cual, grandes partículas de carbón no están completamente introducidas en la matriz del IrOx. Híbridos de IrOx con grafeno dopado con nitrógeno se han preparado también, mostrando buenas propiedades y altos valores de capacidad de carga y estabilidad, incluso comparados con los resultados obtenidos para los híbridos con grafeno no dopado. El aumento de la conductividad en estos materiales se puede deber a la presencia de nitrógeno, que induce el aumento de defectos en las láminas de grafeno. La biocompatibilidad de estos materiales híbridos grafíticos está siendo estudiada. Tri-híbridos poliméricos también han sido sintetizados electroquímicamente, IrOx-PEDOT-CNTs. El uso de una matríz polimérica, ofrece más flexibilidad al futuro electrodo, lo que es deseable para aplicaciones en tejidos blandos. Sin embargo, los primeros resultados obtenidos muestran que el polímero encapsula los nanotubos de carbono y el IrOx, minimizando sus propiedades electroquímicas. Como consecuencia, la conducta electroquímica del material híbrido es muy similar a la obtenida en otros polímeros, como PEDOT-PSS. Las pruebas de biocompatibilidad para estos híbridos poliméricos muestran baja viabilidad neuronal, aunque un nuevo modelo de co-cultivos (astrocitos-neuronas) se ha propuesto para mejorar la biocompatibilidad en este tipo de materiales. Los materiales obtenidos en todos los casos, son capas bien adheridas, lo que permite su futuro uso como electrodos o substratos de crecimiento neuronal.

The development of neural interfaces requires new electroactive and biocompatible materials, capable to apply electric fields without secondary effects, as large impedances at the interface or radical formation, which can cause damage in the tissues and the degradation of the electrode functionality. Currently, different types of electroactive materials are available for application as electrodes in the neural system: gold, platinum, glassy carbon, Pt-Ir, TiN or IrOx, among others, being the last, the one with superior performance. Properties such as high electrochemical efficiencies, good bio-stability and significant biocompatibility, have turned out IrOx into one of the most promising material for neural recording and stimulation electrodes. However, new technological breakthroughs have generated a demand of novel materials, with enhanced properties and which also minimize the drawbacks found in the actual ones, as low stability under electrochemical conditions, small values for charge capacity or the inherent rigidity of these oxides, which involves low compatibility with soft tissues. These improvements required may be achieved by hybrid materials, which join different properties from both counterparts. In this sense, IrOx-CNTs have been electrochemically prepared with enhanced properties. The chemical composition at the surface is very similar to that for IrOx, but the incorporation of carbon nanotubes makes the surface rougher, increasing the available interface area of the material. These properties, joined with the conductivity provided by the CNTs, yield very high values for charge storage capacity in electrochemical measurements. Also, the stability of the resulting coatings is improved in comparison with bare IrOx. The biocompatibility tests have shown high cellular survival and neuron functionality, similar to those values obtained for bare IrOx or borosilicate (used for reference), which validates these new materials as promising neural electrodes. IrOx hybrids with graphite and graphene also have been prepared. In both coatings, the presence of carbon particles has been demonstrated, although the confirmation of graphene sheets instead of few-layered graphene needs more experimental studies. The electrochemical properties of these IrOx-graphene and IrOx-graphite hybrids are similar than those obtained for IrOx-CNTs electrodes, with high values of charge storage capacity. However, the stability during consecutive cycling for the graphite-hybrid is poor and the coating is finally delaminated. These results are presumably due to heterogeneous structure in graphite-hybrids, in which the big carbon particles are not completely embedded in the IrOx matrix. Also, IrOx hybrids with N-doped graphene have been prepared, showing promising properties and very high values for charge storage capacity and stability, even when compared with non-doped IrOx-graphene coatings. The enhanced conductivity of these materials can be related with the presence of nitrogen, which induces the increase of the defects in the graphene sheets. The biocompatibility of these graphitic materials is under study. Polymeric tri-hibrids, IrOx-PEDOT-CNTs, have been also electrochemically synthesized. The use of a polymeric matrix is an effort to confer more flexibility to the electrode, which is desirable for soft tissue applications. However, the first results show that the polymer may encapsulate the CNTs and the IrOx particles, minimizing the electrochemical properties of these species. As a consequence, the electrochemical performance of the hybrid material is similar to those obtained for other polymers, as PEDOT-PSS. The biocompatibility tests have shown low neuronal viability in these substrates; however, co-cultures have been proposed as a novel method to improve biocompatibility in these types of materials. The materials obtained in all cases, are well adehered coatings, which leads to an easy future perpespective for their use as electrodes or cells substrates.