Os eletrodos de marcapassos têm um desempenho em sensibilidade e estimulaçao caracterizado pelas propriedades eletroquímicas da interface eletrodo que influenciam as reaçoes tissulares e a cinética das trocas iônicas. A superfície do eletrodo usualmente metálica e lisa resulta numa característica de filtr

MAX SCHALDACH

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Eletrodo com deposi~ao crepitante TiN para melhor desempenho na estimula~ao cardiaca MAX SCHALDACH* RESUMO Os eletrodos de marcapassos tern urn desempenho em sensibilidade e estimulafiio caracterizado pelas propriedades eletroquimicas da interface eletrodo que influenciam as reafoes tissuLares e a cinetica das trocas ionicas. A superficie do eletrodo usuaLmente metdLica eLisa resulta numa caracteristica de fiLtro "passa-aLta". Para se combinar melhor as caracteristicas de fi/tro do eletrodo ao sinal de despolarizafiio, wirias combinafoes na geometria do eletrodo, tip a de material e textura de superficie tern sido pesquisadas. 0 eLetrodo de superficie crepitante de nitreto de titanio apresentado neste artigo foi projetado com a objetivo de se ter melhores Limiares de estimulafiio, agudos e cronicos, bern como desempenho de "sensing" superior. Os resultados cLinicos obtidos provam as exceLentes propriedades de estimuLafiio e sensibilidade resultantes de poLarizafoes minimizadas e filtra-gens adequadas do sinaL detectado. Essas vantagens siio atribuidas na sua maior parte a biocompatibilidade do material empregado e a superficie estrutural microcristalina conseguida pelo processo de revestimento. DESCRITORES: Estimulafiio cardfaca artificial- Eletrodos implantados. INTRODU<;Ao A estimulac;ao artificial do cora-c;ao necessita de urn campo eletrico que e determinado pelo potencial eletrico e pela corrente do eletrodo de estimulac;ao. No interior de urn eietrodo metalico a corrente e leva-da por eletrons. Por fora, ions con-tribuem para a distribuic;ao da cor-rente. Essa uniao se da na superffcie do eletrodo por meio de reac;6es ele-troqufmicas e pela formac;ao de uma dupla camada eletrica. 0 campo ele-trico local diminui entao 0 potencial da membrana das celulas miocardi-cas ; a consequente despolarizac;ao causa a contrac;ao do musculo car-diaco. Para 0 funcionamento do sincro-nismo atrial ou da demand a ventri-cular , 0 marcapasso tern que detec-tar sinais atriais e ventriculares que apresentam respectivamente espec-tros com freqiiencia de pico de = 70 e 30Hz. A amplificac;ao seletiva da frequencia tern que ser projetada para se conseguir uma alta razao de "sinal-rufdo" . o comportamento da interface eletrodo-miocardio po de ser expli-cado pela estrutura da dupla cam a-da: urn circuito equivalente e simpli-ficado da interface demonstra que o potencial de distribuic;ao e deter-minado pela capacit<lncia Helm-holtz e pela impedancia Faraday. Se a capacitancia da dupla camada for alta, as perdas de estimulac;ao serao pequenas e a amplitude do sinal de despolarizac;ao sera alto . Este com-portamento explica, no geral, as vantagens do eletrodo de superffcie porosa sobre os de supeffcie polida. Assim sendo, era logico se espe-rar a melhoria da eficacia da estimu-lac;ao artificial com determinadas al-terac;6es no revestimento de super-ficie. Alem da estrutura de revestimen-to , a biocompatibilidade e essencial, tendo metais como 0 titanio, tanta-10 , niobio , zirconio e seus compos-tos (oxidos , carburetos e nitretos) possibilidades promissoras5• 6. 7. A • Professo r de Fisica e Enge nharia Bio medica e Direto r Geral do Instituto Central de Biomedicina da Universidade de Erlanger - Alemanha . .. Rev. Bras. Marcapasso e Arritmia, 3(3): 106-11 , 1990 condutibilidade pode ser ampla-mente ajustada por mudanc,:as este-quiometricas e portanto os 6xidos de titanio e de tantal05 podem servir tam bern como revestimento ou ma-teriais sintetizados para eletrodos de estimulac,:ao l. 8, 9. 10. 12. 0 mesmo se aplica a outros materiais como o carbono vitreo, cuja biocompati-bilidade e estrutura po rosa e bern conhecida 13. 14, 15 . Revestimento de Nitreto de Timnio (TiN) Na confecc,:ao de eletrodos sao re-quisitos essenciais que : • 0 material deve ser biocompa-tfvel para diminuir reac,:6es tissu-lares; • A capacitancia de dupla camada deve ser grande para minimizar perdas de polarizac,:ao durante a estimulac,:ao cardfaca e obter uma freqiiencia de corte para a detec,:ao dos sinais cardfacos. As primeiras tentativas para essa soluc,:ao utilizaram materiais de ele-trod os porosos como 0 6xido de tan-talo, carbono vftreo ativado, etc . .. o revestimento de nitreto de titanio tambem foi utilizado e os resultados observados ultrapassaram as expec-tativas. 0 material e hoje conhecido pelas sua biocompatibilidade7, 13 , 16 . Substratos de metal sao revestidos com carbureto ou nitreto de Ti , Ar, Ta, usando processos de deposic,:ao ffsica de vapor (PVD) ou deposic,:ao qufmica de vapor (CVD) 17. Os re-sultados discutidos neste artigo sao base ados em substratos de titanio revestidos com TiN por PVD me-din do alguns micrometros e obtidos 107 com tecnica de deposic,:ao crepitante de fina pelicula. Como pelfculas finas de deposi-c,:ao crepitante sao formadas com fluxo de material aproximando 0 substrato de urn numero de direc,:6es limitadas, a granulac,:ao metalurgica tende a ser em colunas. Alem do mais a temperaturas baixas e hom6-logas (temperatura de substrato, re-lativo ao ponto de fusao do mate-rial), uma estrutura de crescimento definida por Ii mites de pressao (tam-bern em colunas) e sobreposta a es-trutura granular intrfnseca 18. Mi-croestruturas de pelfcula fina ten-dem a mostrar uma caracterfstica anisotr6pica que afeta as proprie-dades de transporte utilizadas atual-mente , tais como a natureza das bar-reiras. Em particular a granulac,:ao das barreiras de crescimento apre-Fig. 1- Fotogra[ias do eletrodo TiN via microscopia eletronica com magnitude de 500; 1.000; 10.000; 20.000 108 senta caminhos de difusao distintos muitas vezes aumentando a espes-sura da camada. Nas aplicacr6es das camadas de deposicrao crepitante , quer em cir-cuitos eletronicos (para torna-Ios mais resistentes) quer em substratos (para melhor acabamento), a for-mac;ao da estrutura de crescimento em colunas definidas por barreiras de pressao e indesejavel. Muitos es-forc;os tern side feitos para evitar es-sas estruturas e para formar estru-turas densas com barreiras fecha-das . Como pre-requisito para 0 usa de eletrodos de estimulac;ao cardfa-ca recobertos com nitreto de titanio , a compreensao dos defeitos de cres-cimento " indesejaveis" tern sido amplamente utilizada para ampliar a microestrutura aberta da superff-cie , ganhando assim urn valor maxi-mo de capacidade de dupla camada. Os fatores mais importantes sao: SOlido I Co I Interface Potencial Sinal Max Scbaldacb - Eletrodo com revestimento TiN Eletrolito Rz Resistencia do condutor RF Resistencia de Faraday RFL Resistencia do eletr6lito Co Capacitancia de dupla camada eletrodo de referencia 11 • Angulos de deposic;ao limitados Fig. 2 - Circuito experimental e equivaiente para teste "in vitro" do eletrodo TiN. dados pelo processo inicial de deposicrao crepitante ; • Baixa mobilidade dos atomos absorvidos (baixa temperatura do substrato em relacrao ao pon-to de fusao do material de reves-timento) ; • Sombreamento atomico, que sao elevac;6es na superffcie de crescimento , e devem ter prefe-H!ncia no f1uxo de recobrimento as cavidades, induzindo barrei-ras abertas ; • Angulos de deposic;ao oblfquos favorecendo a microestru tura aberta; • Supressao da intensidade do bombardeamento energetico , levando a uma freqiiencia baixa de recrepitancia que e desfavo-ravel a microestrutura densa. Na pratica , urn grupo balanceado de fatores dos processos acima cita-dos tern side perfeitamente adapta-do as propriedades necessarias para o revestimento de TiN descrito lO . As caracterfsticas ffsicas do TiN sao resumidas na Tabela I. A Figura 1 mostra fotografias feitas com mi-croscopio eletr6nico do revestimen-to TiN com magnitudes distintas. A estrutura altamente porosa e visfvel nessa figura. A capacitancia da du-pia camada foi estimada em lOp.FI cm2 em condic;6es de implante l9 . Estudos comparativos Para compreender as proprieda-des eletroqufmicas da interface ele-trodo-miocardio , a distribuicrao de potencial de carga pode ser expli-cada por urn modele simplificado de Gouy-Chapman , onde " a capacitan-cia de dupla cam ada depende da dis-tribuic;ao de cargas dentro do limite de fase " . A capacitancia da dupla camada em equilibrio Cg e dada por A Cg £Eo d Sendo , A = area de superffcie ; d = espessura do dieletrico ; E = constante de dieletrica relativa da dupla camada (E = 5 .. . 80 dependendo da espes-sura da dupla camada) EO = constante dieletrica no vacuo TABELA 1 Condutividade de alguns compostos do Ti Ti TiN2 Ti02 Ti° 1.995 Ti0 l.15 2.104(Ohm.cm)- ' 2.104(Ohm .cm)- ' 1.10 1O(Ohm .cm)- ' 8.10'(Ohm.cm)- ' 1.102(Ohm.cm)- ' TABELA 2 Caracterfsticas ffsicas do TiN Peso molecular Densidade Form ato Dureza Dimensiio Expansiio te rmica Condutibilidade 61 ,9 5.21g/cm3 face cubica 1800 ... 2500 HVl OO 42.3nm 9.35 .1O--/K- ' 4.104(Ohm. cm)- ' Rev. Bras. Marcapasso e Arritmia, 3(3): 106-11 , 1990 109 Tao logo ocona a abson;:ao na su-perficie a descric;:ao da dupla camada se torna urn tanto complicada por causa da adic;:ao dos capacitores em serie. Para conseguir uma compa-rac;:ao entre varios eletrodos em uso c1fnico a absorc;:ao nao foi levada em conta. Os eletrodos foram medidos potencial e estatfsticamente, usando o circuito equivalente e modelo ex-perimental mostrado na Figura 2 . A impedancia completa e dada por: resistencia do eletrolito resistencia do condutor resistencia de Faraday con stante imaginaria frequencia do sinal Os resultados da Figura 3 de-monstram a seletividade de frequen-cia do revestimento TiN em compa-rac;ao com eletrodos de platina ou de carbono ativado. . RESULT ADOS CLINIC OS Resultados c1fnicos foram obtidos com 123 eletrodos TiN implantados no ventrfculo via veia cdalica , jugu-lar ou subclavia. Damping/dB 20 " .... ~ "- " )v "- (2 ..... , ) 10 ........ " i1) ........ r-.. ~.... 1"- .. ~ .............. 1 10 -... II 1 Eletrodo TiN 2 Eletrodo de carbo no ativado 3 Eletrodo de platina r--- r---FreqiiencialHz Fig. 3 - Curva de Damping verSllS Freqiiencia em rela~tio a Ires lipos de elelrodos. 2 3 .. 5 -~ r- -r,.. "" -;;., - 1,., .: 2 , 3 .. , 5 tempo .emana. apOll 0 Implant.. M_ apOll 0 IlDplante Os cabos eletrodos com alta flexi- Fig. 4 - Cllrva de Limiar verS/ls Tempo, ap6s implanle com elelrodos TiN. bilidade sao constitufdos por urn condutor quadrifilamentado feito de uma Iiga de nfquel cromo cobalto MP35N revestido com bonacha de silicone. Foram medidos Iimiares de esti -mulac;:ao e potenciais intracardfacos usando 0 sistema analisador ERA 20 Biotronik, A media potencial da onda R foi 14.4mV com desvio de 4,23 mY. 0 limiar de estimulac;ao (medido a 0,5ms de largura de pul-so) foi de 0,24V com desvio de 0,08V (Figuras 4 e 6).0 valor medi-do para 0,1ms de largura de pulso foi 0 ,66mV (dp == 0 ,21 V) e para 0,3ms 0,36V (dp == O,llmV). A rela-c;:ao cronaxica e uma curva de reo-LimiarlV 1,0 ............... --.... - ~ ....  -_ .. ---------;-.. - --- ·--- ----·--;--·~--- ~--r· , : . ! ! i . .1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 ° 0,1 0,2 Fig. 5 - Cllrva de Cronaxia e Reobase do elelrodo TiN. . l 1 Valor medio 2 Desvio positivo 3 desvio negativo ! -I 'j ·i ____ i_. ___ .... ___ 4 __ _ ___ • __ .~- .• ------i~-_ __ j : I .! 0,3 0,4 0,5 Largura de pulso!ms -110 Max Schaldach - Eletrodo com revestimento TiN Quantidade Quantidade 50 40 30 20 10 o 5 10 15 20 Potencial de R 50 40 30 20 10 o mV 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 V Amplitude de pulso Fig. 6 - Curvas de desempenho do eletrodo TiN em avalia, ao clinica. base ilustrada na Figura 5. Medidas nao invasivas feitas no pos-opera-torio confirmaram a estabilidade a longo prazo das caracterfsticas de sensibilidade e estimula<;ao cardfaca (Figura 4) . D1scussAo A dupla camada balanceada na interface eletrodo-tecido miocardi-co define as caracterfsticas de per-formance dos eletrodos de estimu-la<;ao cardfaca. Fun<;6es de sensibi-lidade e estimula«ao sao afetadas pela biocompatibilidade e pela ca-pacitancia da dupla camada. Como foi exemplificado pelo TiN, a sele-<;ao de materiais apropriados, 0 pro-cesso de deposi<;ao, e a configura<;ao da ponta do eletrodo resultam numa melhora significativa da propor<;ao Sinal-Rufdo e num limiar reduzido permitindo, assim, uma vida funcio-nal extendida do sistema gerador-eletrodo. Considera«6es teoricas devem le-var em conta as propriedades resis-tivas e capacitivas da estrutura mi-croscopica do eletrodo para descre-ver aproximadamente as caracterfs-ticas de estimula«ao e sensibilidade dos eletrodos de superficie porosa e nao porosa. Resultados clfnicos obtidos com eletrodos com revestimentos de de-posi«ao crepitante provam a impor-tancia da microestrutura para a efi-ciencia eletroqufmica do sistema de estimula«ao e sensibilidade. Em contraste a outras aplica<;6es uma estrutura de crescimento de barreira de pressao e de significancia especf-fica. Os resultados confirmam tam-bern as investiga«6es que serviram como base para a expectativa que possibilita avan<;os na terapia eletri-ca dos disturbios rftmicos. A meta e , em particular, fornecer urn pre-requisito substancial para 0 controle automatico da tensao de safda e 0 ajuste da sensibilidade base ado na detec<;ao dos potenciais obtidos. Os avan<;os em microeletr6nica e tecnologia de baterias certamente formaram a base para 0 desenvol-vimento de geradores de pulso con-tendo urn versatilidade de fun<;6es crescentes , entretanto do ponto de vista de performance do sistema de estimula<;ao, 0 desenvolvimento de eletrodos melhorados como este apresentado tern que ser considera-do como igualmente indispensavel. Rev. Bras . Marcapasso e Arritmia, 3(3): 106-11 , 1990 111 Sputter-deposited TiN electrode coatings for superior sensing and pacing performance Schaldach, Max SUMMARY The sensing and pacing performance of pacemaker eletrodes is characterized by the electrochemical properties of the electrodeltissue interface affecting tissue reactions and the cinetics of the ionic exchange. The usually smooth metallic electrode surface results in a high-pass filter characteristic. To better match the electrode's filter characteristic to the spectral content of the depolarization signal, various combinations of electrode shape, material and surface structure have been researched. The electrode with sputter-deposited TiN coating presented in this report has been designed to meet the demand for low acute as well as chronic thresholds and superior sensing performance not only with respect to spontaneous activity but also regarding the detection of the evoked response. The clinical results obtained with this electrode prove the excellent pacing and sensing properties resulting from minimized polarization losses and optimized filtering of the signal to be detected, respectively. The acute and chronic clinical advantages over previous concepts are attributed mainly to the biocompatibility of the material used and the micro-crystalline surface structure achieved by the coating process. The design concept of the new electrode is presented together with the clinical results obtained. While the advancements in microeletronics and battery technology have certainly formed the bases for the development of pulse generators featuring an ever increasing versatility of functions at the same or even smaller pacemaker dimensions, from a point of view of pacing system performance the development of improved electrode concepts as the one presented must be regarded as equally indispensable. HEADINGS: Cardiac pacing, artificial- Electrodes, implanted. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1. SCHALDACH , M. - New Pacemaker Electrodes. Trans. Amer. Soc. Artificial Int. Organs 17: 29-35 , 1971. 2. THULL R. - Eigenschaften implantierbarer Elektroden fUr die phy-siologische St imulation des Herzens. Physiologische Stimulation des Herzens ed . A. Weikl perimed Fachbuch Verlagsgesellschaf Erlangen, 89-106,1984. 3. MINDT W., RACINE PH . - Stimulating electrode with low energy consumption. Med. Bioi. 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Eletrodo com deposiçao crepitante TiN para melhor desempenho na estimulaçao cardíaca

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