Array di microelettrodi flessibili in carbonio vetroso rivestiti con MXene/PEDOT per la rilevazione neurochimica in vivo

Abstract

Lo sviluppo di materiali per interfacce neurali di nuova generazione rimane complesso, in particolare per sonde intracorticali flessibili che devono supportare sia il sensing neurochimico sia le registrazioni elettrofisiologiche. Il MXene bidimensionale Ti₃C₂Tₓ è un candidato promettente grazie alla sua elevata conducibilità elettrica, alla grande area superficiale e alle terminazioni di superficie elettrochimicamente attive. In questo lavoro, il MXene Ti₃C₂Tₓ è stato integrato in array di microelettrodi (MEA) in carbonio vetroso (GC) su scala micrometrica e in MEA di platino (Pt) utilizzando un rivestimento composito con poli(3,4-etilendiossitiofene) (PEDOT). La caratterizzazione morfologica ha confermato una distribuzione uniforme del MXene e una forte adesione dello strato composito a entrambi i tipi di elettrodi. I test elettrochimici hanno mostrato un aumento di circa ~10× della capacità di accumulo/trasferimento di carica e una sostanziale riduzione dell’impedenza nell’intervallo 1 Hz–10 kHz rispetto agli elettrodi non modificati. La voltammetria a onda quadrata ha consentito una rilevazione sensibile e ben risolta di dopamina (DA) e serotonina (5-HT), supportando un monitoraggio neurochimico multiplexato. Esperimenti in vivo nel cervello di topo hanno validato prestazioni robuste degli elettrodi in condizioni fisiologiche. Valutazioni di stabilità a lungo termine e di fouling hanno inoltre mostrato il mantenimento della funzionalità elettrochimica durante scansioni continue. Infine, le MEA in Pt rivestite con il composito MXene/PEDOT hanno registrato in modo affidabile l’attività di spike in vivo. Nel complesso, questi risultati stabiliscono le MEA in GC e Pt rivestite con MXene/PEDOT come una piattaforma ad alte prestazioni per il sensing neurochimico in tempo reale combinato con l’elettrofisiologia, evidenziando il valore di materiali avanzati per future interfacce neurali flessibili.

Developing materials for next-generation neural interfaces remains challenging, particularly for flexible intracortical probes that must support both neurochemical sensing and electrophysiological recordings. Two-dimensional Ti₃C₂Tₓ MXene is a promising candidate due to its high electrical conductivity, large surface area, and electrochemically active surface terminations. In this work, Ti₃C₂Tₓ MXene was integrated into micrometer-scale glassy carbon (GC) microelectrode arrays (MEAs) and platinum (Pt) MEAs using a composite coating with poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT). Morphological characterization confirmed a uniform MXene distribution and strong adhesion of the composite layer to both electrode types. Electrochemical testing demonstrated a ~10× increase in charge storage/transfer capacity and a substantial reduction in impedance across 1 Hz–10 kHz compared with unmodified electrodes. Square-wave voltammetry enabled sensitive and well-resolved detection of dopamine (DA) and serotonin (5-HT), supporting multiplexed neurochemical monitoring. In vivo experiments in mouse brain validated robust electrode performance under physiological conditions. Long-term stability and fouling assessments further showed sustained electrochemical functionality during continuous scanning. Finally, Pt MEAs coated with the MXene/PEDOT composite reliably recorded spike activity in vivo. Overall, these results establish MXene/PEDOT-coated GC and Pt MEAs as a high-performance platform for combined real-time neurochemical sensing and electrophysiology, underscoring the value of advanced materials for future flexible neural interfaces.