Materialwissenschaftliche, fertigungstechnologische sowie applikative Entwicklungen und Untersuchungen zu Elektroden in muskulärer Umgebung

Abstract

Elektroden dienen als bidirektionale leitfähige Schnittstelle zwischen biologischem Gewebe und technischen Systemen. In muskulärer Umgebung sind sie mechanischen Belastungen ausgesetzt. Für derzeitige implantierbare, flexible Mikroelektroden hat dies Limitierungen der Langzeitstabilität zur Folge. Durch die ausschließliche Verwendung von Materialien deren Elastizitätsmoduln im Bereich des von Muskelgewebe liegen, können diese überwunden werden. Daher sollte als einziges Material für alle Elektrodenkomponenten unterschiedlich funktionalisiertes Silikon zum Einsatz kommen. Im Rahmen dieser Dissertation wird die Entwicklung und Charakterisierung von Silikon-Elektroden sowie die Beschreibung der Mechanismen an der Phasengrenze zu biologischem Gewebe umfassend und systematisch dargestellt. Dafür wurden materialwissenschaftliche, fertigungstechnische und physikalische Themengebiete bearbeitet. Diese umfassten Untersuchungen zu den verwendbaren Materialien sowie deren Verarbeitung zu Elektrodenstrukturen. Zudem sind sowohl die Materialien selbst als auch die aufgebauten Elektroden optisch, mechanisch, elektrisch und elektrochemisch sowie biologisch untersucht worden. Die Verwendbarkeit der entwickelten PDMS-Elektroden wurde durch die Ableitung von EMG- und EKG-Signalen sowie die Bestimmung der maximal reversibel übertragbaren Ladung zur Stimulation nachgewiesen. Die Ergebnisse wurden diskutiert und in Bezug zur Literatur gesetzt.

Electrodes serve as bi-directional conductive interface between biological tissue and technical systems. They are exposed to mechanical stress in muscular environment. For current implantable, flexible micro electrodes, this results in limitations of their long term stability. By using only materials whose young’s moduli are in the range of that of muscle tissue, these limitations can be overcome. Therefore, the only material for all electrode components should be differently functionalized silicone. Within the scope of this dissertation the development and characterization of silicone electrodes as well as the description of mechanisms at the phase boundary to biological tissue are presented comprehensively and systematically. For this purpose material-scientific, production-orientated and physical Topics were addressed. This included investigations regarding the suitable materials as well as their processability into electrode structures. Furthermore both the materials themselves and the built electrodes were examined optically, mechanically, electrically, electrochemically and biologically. The applicability of the developed PDMS-electrodes was demonstrated by the derivation of EMG and ECG signals as well as the determination of the charge injection capacity for stimulation. The results were discussed and related to the literature.