Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) coatings for high quality electromyography recording

Conductive polymer coatings on metal electrodes are an efficient solution to improve neural signal recording and stimulation due to their mixed electronic-ionic conduction and biocompatibility. To date only a few studies have been reported on conductive polymer coatings on metallic wire electrodes for muscle signal recording. These studies mainly deal with testing of electrodes for acute recording during anaesthesia. Chronic muscle signal recording in free-walking animals offers more challenges for the electrode coatings, due to the muscle displacements which may cause coating delamination and device failure. The poor adhesion of conductive polymers to some inorganic substrates and the possible degradation of their electrochemical properties after harsh treatments, such as sterilization, or during implantation still limit their use for biomedical applications. In this work, we developed mechanically and electrochemically stable invasive electrodes for muscle signal recording in small animals based on stainless steel multi-stranded wires coated with the conductive polymer poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT). The electrochemical and mechanical stability was achieved by tuning the electropolymerization conditions. PEDOT doped with ClO4- anions was galvanostatically electropolymerized using three different solvents: propylene carbonate (organic), acetonitrile (organic) and water (inorganic). The coating’s adhesion to the metallic substrate was tested through ultrasonication and the electrochemical stability was evaluated through accelerated ageing in phosphate buffer solution and autoclave sterilization. The solvent played a key role in the adhesion of the PEDOT coating, with organic solvents giving the best mechanical stability. Electrodes prepared with these solvents possessed excellent electrochemical stability, and survived sterilization and prolonged soaking without major changes in electrochemical properties. PEDOT-coated and bare electrodes were implanted in the acromiotrapezius muscle of five mice for muscle signal recording during a period of 6 weeks. The PEDOT coating improved the electrochemical properties of the stainless steel electrodes, lowering the impedance, which resulted in enhanced signal to noise ratio during in vivo muscle signal recording compared to bare electrodes.

I rivestimenti con polimeri conduttivi su elettrodi metallici sono una soluzione efficiente per il miglioramento della qualità della registrazione e della stimolazione di segnali neurali grazie alla peculiare conduzione mista elettrica/ionica e alla ottima biocompatibilità. Tuttavia, ad oggi sono stati riportati solo pochi studi riguardanti rivestimenti con polimeri conduttivi su elettrodi per la registrazione del segnale muscolare. Questi studi riguardano principalmente l’utilizzo degli elettrodi durante registrazione acuta e sotto anestesia. La registrazione cronica del segnale muscolare in animali liberi di muoversi offre più sfide per la stabilità dei rivestimenti degli elettrodi a causa dei movimenti muscolari che possono causare una delaminazione del rivestimento dal substrato e conseguente fallimento del dispositivo. La scarsa adesione dei polimeri conduttivi ad alcuni substrati inorganici e la possibile degradazione delle loro proprietà elettrochimiche dopo trattamenti quali la sterilizzazione o durante l'impianto, limitano ancora il loro uso per applicazioni biomedicali. In questo lavoro, abbiamo sviluppato degli elettrodi invasivi meccanicamente ed elettrochimicamente stabili per la registrazione del segnale muscolare in animali di piccole dimensioni, basati su fili in acciaio inossidabile rivestiti con il polimero conduttivo poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT). La stabilità meccanica ed elettrochimica del rivestimento sono state ottenute ottimizzando le condizioni di elettropolimerizzazione. PEDOT drogato con gli anioni ClO4- è stato elettropolimerizzato tramite tecnica galvanostatica utilizzando tre diversi solventi: carbonato di propilene (organico), acetonitrile (organico) e acqua (inorganico). L'adesione del rivestimento al substrato metallico è stata testata attraverso ultrasuoni e la stabilità elettrochimica è stata valutata attraverso l'invecchiamento accelerato in soluzione tampone e sterilizzazione in autoclave. Il solvente ha svolto un ruolo chiave nell'adesione del rivestimento, e i solventi organici hanno garantito la migliore stabilità meccanica. Gli elettrodi preparati con questi solventi hanno dimostrato eccellente stabilità elettrochimica e hanno resistito alla sterilizzazione e alla permanenza prolungata nella soluzione tampone senza grandi cambiamenti delle proprietà elettrochimiche. Entrambi gli elettrodi con e senza il rivestimento in PEDOT sono stati impiantati nel muscolo acromiotrapezius di cinque topi per la registrazione del segnale muscolare durante un periodo di 6 settimane. Il rivestimento in PEDOT ha migliorato le proprietà elettrochimiche degli elettrodi in acciaio inossidabile, riducendo l'impedenza, e garantendo un rapporto segnale / rumore più elevato durante la registrazione del segnale muscolare rispetto agli elettrodi senza rivestimento.