Untersuchungen zum Einsatz neuer Elektrodenmaterialien und deren Evaluation als Reiz- und Ableitelektrode

Abstract

In dieser Arbeit wurde ein umfassender Vergleich einer Vielzahl von Elektrodenmaterialien hinsichtlich deren Eignung für Stimulations- und Ableitelektroden, insbesondere in implantierbaren Mikroelektroden, anhand eines standardisierten Verfahrens durchgeführt. Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag auf der elektrochemischen Charakterisierung. Darüber hinaus kamen auch mechanische und optische Charakterisierungsmethoden zum Einsatz. Das Spektrum der untersuchten Materialien beinhaltete sowohl traditionell eingesetzte als auch neue Werkstoffe und reichte von unbehandelten Metallen über mikroraue Metalle und Metallverbindungen bis hin zu intrinsisch leitfähigen Polymeren und gefüllten Polymeren. Als besonders geeignete Materialien wurden mikroraues Platin und die intrinsisch leitfähigen Polymere identifiziert, und die Herstellungsverfahren für Elektroden aus diesen Materialien wurden systematisch optimiert. Es wurden anwendungsrelevante Kenngrößen wie die Elektrodenübergangsimpedanz und die maximal reversibel übertragbare Ladung (CIC) für verschiedene Materialien zusammengestellt. Darüber hinaus wurden verschiedene elektrische Ersatzschaltbilder auf ihre Eignung zur Modellierung von Elektroden aus unterschiedlichen Materialien untersucht. Anhand der gewonnenen Ergebnisse wurden Empfehlungen und Richtlinien zur Herstellung optimierter Elektroden zusammengestellt, welche als wichtiges Hilfsmittel bei der anwendungsspezifischen Entwicklung von Elektroden herangezogen werden können.

In this thesis, an extensive comparison of a multitude of electrode materials, with respect to their suitability for stimulation and recording electrodes, especially in implantable microelectrodes, was performed using a standardized procedure. The studies were focused on the electrochemical characterization of the materials. Furthermore, mechanical and optical characterization methods were applied. In the investigations, both traditional and new materials were included, ranging from untreated metals to microrough metals and metal compounds, intrinsically conducting polymers and filled polymers. Microrough platinum and the intrinsically conducting polymers were identified to be particularly suitable, and the processes to produce electrodes from these materials were systematically optimized. Application-relevant parameters such as electrode impedance and charge injection capacity (CIC) for various materials were determined. Moreover, different equivalent circuits were investigated with respect to their suitability to model the behavior of various electrode materials. Based on the acquired results, recommendations and guidelines for the production of optimized electrodes were compiled, which can be used as a valuable resource in the application-specific development of electrodes.