Fabrication and characterization of stretchable supersonic cluster beam implanted pt-pdms nanocomposites for biomedical applications

Flexible and stretchable electronics are currently under intense research and development, particularly for applications in neural electrodes. Metal-polymer nanocomposites, in particular, are attracting rapidly increasing interest due to their potential in fabricating flexible medical electrodes. In this experimental thesis, patterned platinum–polydimethylsiloxane (Pt–PDMS) nanocomposites were fabricated by Supersonic Cluster Beam Implantation (SCBI) of neutral platinum nanoparticles in PDMS through stencil masks. SCBI is a proprietary patented technology developed by the WISE company. This novel implantation technique relies on the use of supersonically accelerated beams of neutral metal clusters, which are embedded inside a preformed polymer body of the electrode to form a conductive nanocomposite layer just below the surface of the polymer substrate. The process occurs at room temperature and involves low kinetic energies of the nanoparticles, thus preventing thermal damage or chemical modification of the polymeric matrix under impact. This thesis involved the design and fabrication of new components, such as isolating disk and valve pressing cylinder, for a new pulsed valve configuration required for the injection of the process gas for the thin film deposition. We examined the impact of this new valve configuration, used in the Pulsed Microplasma Cluster Source of the Supersonic Cluster Beam Implantation apparatus, on the overall efficiency and functionality of the platinum-PDMS nanocomposite fabrication process. It was observed that the perfomance of the fabrication process remained consistent in terms of nanoparticle size distribution, prompting further research to identify factors influencing the nanoparticle size distribution. Subsequent anaylsis demonstrated that the aerodynamic focuser configuration used in the Supersonic Cluster Beam Implantation apparatus plays a critical role in determining nanoparticle size distribution. Additionally, the electrochemical properties of platinum-PDMS nanocomposites were investigated through EIS measurements, and their stretchability, defined as the ability of the electrodes to deform or stretch without losing their electronic properties. These properties are crucial for medical electrodes to mimic the mechanical compliance of the biologic tissue and to directly record neural activity with high spatial and temporal resolution without incomplete or ineffective contact that could deteriorate the signal and introduce noise. The results of our study demonstrated that thermal and chemical treatments significantly influence the impedance of electrodes. By optimizing the platinum layer thickness and treatment configuration, we achieved enhanced stretchability.

L'elettronica flessibile e “stretchable” è attualmente oggetto di un'intensa attività di ricerca e di sviluppo, in particolare per le applicazioni negli elettrodi neurali. I nanocompositi metallo-polimero, in particolare, stanno attirando un interesse sempre crescente grazie al loro potenziale nella fabbricazione di elettrodi medici flessibili. In questa tesi sperimentale, sono stati fabbricati nanocompositi di platino polidimetilsilossano (Pt-PDMS) con pattern mediante Supersonic Cluster Beam Implantation (SCBI) di nanoparticelle neutre di platino nel PDMS attraverso maschere e stencil. SCBI è una tecnologia brevettata sviluppata dalla società WISE. Questa nuova tecnica di impiantazione si basa sull'uso di fasci supersonici di cluster metallici neutri, che vengono incorporati all’interno di un corpo polimerico preformato dell'elettrodo per formare uno strato nanocomposito conduttivo appena sotto la superficie del substrato polimerico. Il processo avviene a temperatura ambiente e implica l'uso di basse energie cinetiche delle nanoparticelle, prevenendo così il danneggiamento termico o la modificazione chimica della matrice polimerica durante l'impatto. Questa tesi ha riguardato la progettazione e fabbricazione di nuovi componenti, come il disco isolante e il cilindro premi valvola, per una nuova configurazione della valvola pulsata necessaria per l'iniezione del gas di processo nella deposizione del film sottile. È stato esaminato l'impatto di questa nuova configurazione della valvola, utilizzata nella Sorgente Pulsata di Microplasma dell'apparato SCBI, sull'efficienza complessiva e la funzionalità del processo di fabbricazione dei nanocompositi di platino-PDMS. È stato osservato che le performance del processo di fabbricazione sono rimaste costanti in termini di distribuzione dimensionale delle nanoparticelle, promuovendo ulteriori ricerche per identificare i fattori che influenzano tale distribuzione. Analisi successive hanno dimostrato che la configurazione del focalizzatore aerodinamico utilizzata nell'apparato SCBI gioca un ruolo cruciale nella determinazione della distribuzione dimensionale delle nanoparticelle. Inoltre, le proprietà elettrochimiche dei nanocompositi di platino-PDMS sono state investigate attraverso misurazioni di EIS, così come la loro “stretchability”, definita come la capacità degli elettrodi di deformarsi o allungarsi senza perdere le loro proprietà elettriche. Queste proprietà sono fondamentali per gli elettrodi medici, poiché consentono di imitare la conformità meccanica del tessuto biologico e registrare direttamente l'attività neurale con alta risoluzione spaziale e temporale, evitando contatti incompleti o inefficaci che potrebbero deteriorare il segnale e introdurre rumore. I risultati del nostro studio hanno dimostrato che i trattamenti termici e chimici influenzano significativamente l'impedenza degli elettrodi. Ottimizzando lo spessore dello strato di platino e la configurazione del trattamento, abbiamo ottenuto una maggiore “stretchability”.