Carbon nanotube based microelectrode arrays for long-term electrocorticographic recordings

The development of array of electrodes able to safely record brain electrical activity, with no side effects for the patient, is a critical issue in the developing of brain computer interface (BCI) devices and in long-term recordings. Commercially available electrode arrays commonly used in a clinical setting have some limitations which limited their use in chronic applications and therefore for prolonged time intervals. In particular, such grids have inappropriate long-term electrical stability, poor biocompatibility with brain tissue and inadequate flexibility to accurately adhere with brain surface, which is irregular and curvilinear. The availability of sensors able to overcome these limitations could offer very interesting opportunities for the developing of BCI devices to help patients with severe neurodegenerative diseases, in particular to restore functions irremediably compromised by the disease itself. In the last decades, many studies have been performed and many are the technologies that have been proposed for this purpose, but without achieving resounding success. Aiming at developing simple technologies for the developing of flexible and stretchable electronic devices, elementary bidimensional circuitry made of single wall carbon nanotube (SWCNT) based conductors, self-grafted on different polymer films, could represent a very promising alternative for the developing of reliable neural interfaces for BCI applications. This study reports in-vivo and ex-vivo characterization of new electrode arrays made of single-walled carbon nanotubes (SWCNT) embedded in medium-density polyethylene (MD-PE) films. In particular, the long-term electrical stability, the flexibility and the biocompatibility of these electrodes have been evaluated in a chronic setting. The long-term electrical stability was evaluated through impedance measurement, the analysis of ElectroCorticoGraphic (ECoG) recorded in laboratory rats for a period of two months in an in-vivo experimental setting and the analysis of evoked synaptic potentials recorded in an ex-vivo experimental setting. The flexibility was evaluated through the comparison between ECoGs recorded from electrodes placed in the dorsal cortex with those recorded from electrodes placed in the lateral cortex and also through the mechanical characterization of the device. Finally, the biocompatibility was evaluated through the analysis of the immunohistochemical and histological profile of brain tissue after the explantation of the devices. The performance of the SWCNT-based grids have been compared with that of a similar grid having the same geometry and the same MD-PE film, but with electrodes made by platinum (Pt), which is one of the most used metal for electrodes in clinical practice. The SWCNT grids showed better performance compared with Pt grids, mainly for the immunohistochemical and histological profile and for the flexibility and stretchability properties. Furthermore, SWCNT grids provided good results in the recording of reliable evoked synaptic local field potentials in the ex-vivo experiments. The results demonstrate that the SWCNT grids embedded in MD-PE are suitable for manufacturing flexible devices for subdural ECoG recording and are promising candidates for long-term neural implants for epilepsy monitoring or neuroprosthetic BCI.

Lo sviluppo di griglie di elettrodi in grado di registrare l’attività elettrica cerebrale in modo sicuro, senza indurre complicanze al paziente, rappresenta un punto cruciale nella creazione di dispositivi per applicazioni di brain computer interface (BCI) e nelle registrazioni a lungo termine. Le griglie di elettrodi disponibili in commercio comunemente usate per questi scopi presentano dei limiti che non ne consentono l’utilizzo in cronico, per intervalli temporali molto lunghi. In particolare, queste griglie hanno una stabilità elettrica a lungo termine insoddisfacente, sono caratterizzate da un basso livello di biocompatibilità con il tessuto cerebrale e non sono adeguatamente flessibili ed in grado di conformarsi perfettamente con la superficie cerebrale, caratterizzata da una superficie irregolare e curvilinea. La possibilità di disporre di sensoristica in grado di superare queste limitazioni, potrebbe offrire della prospettive molto interessanti per lo sviluppo di dispositivi di BCI per l’ausilio di pazienti affetti da gravi patologie neurodegenerative, in particolare per il ripristino di funzioni irrimediabilmente compromesse a seguito della patologia. Negli ultimi decenni, molti sono stati gli studi e le tecnologie proposte in tal senso, ma con modesto successo. In particolare, nell’ottica di sviluppare tecnologie semplici per la creazione di dispositivi elettronici flessibili ed estensibili, la realizzazione di circuiti bidimensionali a bassa complessità costituiti da conduttori basati su nano tubi di carbonio a parete singola (SWCNT) potrebbe rappresentare una linea di sviluppo molto promettente per la realizzazione di interfacce neurali affidabili per applicazioni di BCI. Questo lavoro presenta una caratterizzazione in-vivo ed ex-vivo di una griglia di elettrodi in SWCNT su film in polietilene a media densità (MD-PE). In particolare, di queste griglie sono state analizzate la stabilità elettrica a lungo termine, la flessibilità e la biocompatibilità in in cronico. La stabilità elettrica a lungo termine è stata valutata mediante l’analisi delle impedenze degli elettrodi, l’analisi del segnale ElettroCorticoGrafico (ECoG) registrato per un periodo di due mesi durante gli esperimenti in-vivo su ratti da laboratorio e l’analisi dei potenziali evocati sinaptici registrati durante gli esperimento ex-vivo. La flessibilità è stata analizzata attraverso la comparazione dei segnali ECoG registrati dagli elettrodi posizionati sulla parte dorsale della corteccia e di quelli registrati dagli elettrodi posizionati sulla parte laterale della corteccia negli esperimenti in-vivo ed anche attraverso la caratterizzazione meccanica del dispositivo. Infine, la biocompatibilità è stata valutata attraverso analisi del profilo immuno-istochimico ed istologico del tessuto cerebrale post-mortem. Le prestazioni delle griglie sono state confrontate con quelle di griglie simili, aventi la stessa geometria, ma con elettrodi in Platino (Pt), uno dei metalli più utilizzati per la fabbricazione della maggior parte delle griglie di elettrodi presenti in commercio ed utilizzate nella pratica clinica. Le griglie SWCNT hanno mostrato delle perfomance migliori rispetto a quelle Pt, soprattutto in termini di profilo immuno-istochimico, istologico, e dal punto di vista della flessibilità e dell’estensibilità. Infine, gli elettrodi SWCNT hanno mostrato ottimi risultati nella registrazione di potenziali evocati sinaptici in setting ex-vivo. I risultati ottenuti mostrano come griglie SWCNT in film MD-PE possono essere utilizzati con ottimi risultati per lo sviluppo di dispositivi flessibili per la registrazione di segnali ECoG e potrebbero rappresentare un candidato ideale per lo sviluppo di interfacce neurali per applicazioni di neuroprotesica e BCI.