介绍

在纳米技术时代，植入小电极是为了刺激可兴奋的组织，检测生物电事件，以及测量化学物质。电极金属和绝缘材料的选择对电极性能和寿命有重要影响。理想的植入电极或其绝缘材料不应引起强烈的局部或全身性宿主反应。它应该与组织建立稳定的阻抗接触。金属及其绝缘体不应产生过敏反应。植入的电极应该是x光可见的。

胶囊形成

当有或没有绝缘的金属被植入组织床时，会发生两种反应:(1)组织液试图溶解它，(2)发生炎症反应，植入物很快引发级联反应导致植入物被不可修复的纤维组织包裹的事件。在后一种情况下，苏乐帽可以厚也可以薄，这取决于组织对植入物的反应性以及植入物的表面形状和状况。如果植入物是一个电极，胶囊会将它与它用来刺激或记录的组织分开。围绕刺激电极的胶囊提高了与胶囊厚度成比例的刺激阈值，并且胶囊内的流体含量也可以影响刺激阈值。

组织胶囊的意义

植入心脏起搏器的人都知道围绕刺激电极的组织包膜的重要性。植入时的程序包括确定阈值电流刺激(捕捉)。然后脉冲发生器的输出加倍以适应阈值的增加旧电流随着电极被不可修复的纤维组织包裹。

植入金属和合金的过敏因素

过敏反应反映了通过先前暴露于特定物质(过敏原)而获得的过敏状态，并且再次暴露产生增强的免疫系统反应能力。过敏原是任何能够产生一种特定类型的敏感性的物质。

如果合金含有过敏元素，植入合金会产生过敏反应。过敏金属有等级之分。排在榜首的是镍、铬和钴，其次是绿柱石、汞、铜、金和银。显然，这些金属或含有它们的合金不是所有受试者植入电极的候选材料。如果他们的植入产生了反应，即使植入物仍然起作用，也必须将其移除。

电极阻抗

电极-电解质界面的阻抗取决于金属种类、接触的电解质类型、表面积和温度。随着面积和表面粗糙度的增加，粗糙度降低。它也随着频率的增加和测量电流密度的增加而降低。接口的最简单等效电路由半电池电位、串联电容和电阻(沃伯格模型)，与法拉阻抗并联；后者解释了非常低的频率和直流特性。

表1显示了许多金属在室温下与0.9%盐水接触时的电容/cm2。图1是表1所示材料的低电流密度沃伯格电容与频率的对数-对数图。越靠近图的顶部，电极的阻抗越低。请注意，铂黑代表最低阻抗。表1中所示的一些材料还不能用作植入电极。

表1 与0.9%盐水接触的金属的Warburg电容“fcm2”

图1 与各种电解质接触的金属的沃伯格电容“fcm2”。“电极重绘和生物电事件的测量”

电极表面状况

在确定低电流密度电极-组织阻抗时，除了金属种类和电极面积之外，电极表面的条件也同样重要。粗糙化电极表面增加了其有效表面积，而没有增加其几何尺寸。

在电极上沉积材料也是获得大有效面积的一种方式。

射线照相可见性

植入的电极通常很小，因为它们被设计用来刺激或检测来自小群可兴奋细胞的生物电信号。植入后，非常希望能够随时间推移对其进行射线照相观察，以监测其完整性，特别是在遇到异常反应时。由于它们体积小，谨慎的做法是选择能强烈吸收x射线的金属；这就把金属的选择导向了那些具有高原子序数的金属，即原子核中质子的数量。

表2列出了作为植入电极候选材料的电极材料的原子序数。

表2 材料的特性 当量

绝缘膨胀系数匹配

当对电极施加硬绝缘时，必须注意构成电极的材料的膨胀系数和所施加绝缘的膨胀系数。表3列出了许多电极材料和绝缘材料的热膨胀系数。

表3 绝缘材料的特性

刺激电极

当使用小面积电极刺激可扩张组织时，尽管电流很低，但电流密度很高，因此出现了两个新的考虑因素:(1)刺激波形失真和(2)电化学分解。电极-电解质界面的burg电容特性和刺激器输出电路的类型(恒压或恒流)。当电池中有直流成分时，就会发生电解分解刺激。

绝缘材料

表3列出了用于植入电极的许多绝缘材料的介电强度、介电常数、膨胀系数和熔点。聚酰亚胺似乎产生最少的组织反应。如果使用玻璃或熔融石英，膨胀系数必须与它所覆盖的电极的膨胀系数相匹配；否则，当冷却发生时，会导致开裂。

钽等金属可以被阳极氧化，以产生作为绝缘体的薄氧化物涂层。钽产生了单位面积电容最高的氧化物涂层。

结论

基于四个标准(组织反应、过敏性、阻抗和射线可见性)，五氧化二钽的介电常数最高。然而，由于钽的高密度、制造复杂性和相对较高的成本，使用钽是困难的。由于这些原因，以通过施加基于钽的涂层来改善生物响应。