Construção de Microeletrodos para Detecção dePotenciais Cardíacos Intracavitários

Marcelo Bariatto A. Fontes1, Idagene A. Cestari2

1Laboratório de Sistemas Integráveis (LSI) -Escola Politécnica da Universidade de São PauloSão Paulo, SP, Brasil, 05508-900 Tel: +55 11 818 5657, Fax. +55 11 818 5665

2Instituto do Coração – Divisão de BioengenhariaAv. Dr. Enéas de Carvalho Aguiar, 44-SS, São Paulo, SP, Brasil

bariatto@lsi.usp.br, cestari@incor.usp.br

Resumo – Este artigo apresenta a construção de microeletrodos utilizando tecnologia de circuitosintegrados para detecção de potenciais cardíacos intracavitários no coração do rato. Utilizou-se comomaterial de conexão o silício policristalino dopado com fósforo passivado com nitreto de silício. Obteve-semicroeletrodos com 10 µm2 de área, construídos em um substrato de silício de formato paralelepípedo comaltura de 430µm, largura de 385µm e comprimento de 8mm, acondicionado em um cateter de 0,5 mm dediâmetro interno. Os resultados obtidos nos testes in vitro sugerem que o cateter-eletrodo construído, podeser utilizado para detecção de potenciais intracavitários no rato.

Palavras-chave: Microeletrodos, cateter, Potenciais cardíacos

Abstract - This paper presents the fabrication of microelectrodes by using silicon technology for intracavitarycardiac potential detection. Phosphorus doped polysilicon was used as interconnection and silicon nitride forpassivation. Microelectrode areas of 10µm2 where obtained built over a 430µm high, 385µm wide and 8mmlong silicon structure placed into a catheter tube with 0.5mm internal diameter. The results obtained in vivosuggest that the electrode can be used to detect intracavitary cardiac potentials in the rat.

Key-words: Microelectrodes, Catheter, Cardiac potentials

Introdução

O processo de mapeamento cardíacobaseia-se na medição do potencial elétricodiretamente no coração através de dois ou maiseletrodos, sendo um deles a referência(Gallagher, 1982 e Franz, 1999). Métodos quenão necessitam de contato direto com o músculocardíaco também estão sendo estudados(Schilling, 1998 e Knisley, 2000].

A utilização de um conjunto de eletrodosregularmente dispostos permite o mapeamentodos vários potenciais cardíacos em apenas umbatimento, sendo que através de sua análisetemporal e espacial, obtém-se importantesinformações do comportamento eletrofisiológicodo coração, como a localização de focos dearritmia (Onufer,1991).

Há uma tendência atual em utilizar-se umgrande número de eletrodos de prata cloretada(>200) com pequenas dimensões (<500µm) naobtenção de mapeamentos com elevadaestabilidade (Malkin, 2000).

Há várias formas de fabricação desteconjunto de eletrodos, tais como [Malkin, 2000;Cohen, 1989 e Lim, 1996):

• microfios metálicos (Φ=50µm) isolados eacondicionados em uma forma rígida ou semi-rígida;• empilhamento de fitas poliméricas condutoras e• tecnologia de circuitos integrados.

Embora bons resultados tem sido obtidosna fabricação de microeletrodos utilizando asduas primeiras técnicas citadas acima, observa-se desvantagens devido a montagem manualrequerida, a qual causa uma irregularidade nadistribuição espacial dos eletrodos, além da baixareprodutibilidade nas sua conexões.

A tecnologia de fabricação de circuitosintegrados possui várias vantagens, tais como(Madou, 1997, Fontes, 1999):• alta reprodutibilidade;• permite definir estruturas sub-micrométricascom alta precisão;• definição de estruturas através de máscaraslitográficas projetadas por computador;• produção em alta escala, logo baixo custo.

Esta técnica, aliada a possibilidade demicrofabricação em silício e montagem emcateter propicia diagnósticos com um sistema demínima perturbação com a vantagem de permitira eliminação, por ablação, de tecidos cardíacos(Josephson, 1982 e Cassidy, 1984).

Neste trabalho é apresentada a fabricaçãode microeletrodos e sua montagem em cateter,visando uma evolução do atual sistema demapeamento utilizado no laboratório deBioengenharia do Instituto do Coração(HCFMUSP), o qual consiste de um conjunto de128 eletrodos de prata (φ=1,5mm) eqüidistantesdispostos em um balão ou bolsa para medidasendocárdicas e epicárdicas respectivamente(Oyama, 1997; Mazzeto, 1997 e Bertozzo, 2000)

Material e Métodos: Fabricação dosmicroeletrodos

O conjunto de microeletrodos for fabricadoutilizando a tecnologia de circuitos integrados. Osmateriais e processos utilizados visaram abiocompatibilidade do sistema, sendo usado osilício policristalino dopado com fósforo comomaterial de conexão e nitreto de silício para apassivação. Os microeletrodos foram obtidos porcortes transversais em linhas de 20 µm de largurae 0,5 µm de espessura, espaçadas de10 µm. A própria lâmina de silício serve comosuporte aos eletrodos, sendo isolados desta poruma camada de dióxido de silício. O cateterpossui diâmetro interno de 0,5mm e diâmetroexterno de 1,0mm.

A sequência completa de fabricação éapresentadas na figura 1.

Figura 1. Desenho em corte transversal na regiãodos eletrodos mostrando as etapas de fabricaçãoadotadas.

A descrição detalhada do processo defabricação é indicada a seguir (Fontes, 2001):

a)Oxidação térmica de lâminas de silício de 3” (tipop, orientação <100> e resistividade 1 - 10 Ωcm)para se obter um filme de SiO2 comaproximadamente 1 µm;b)Deposição de silício policristalino por LPCVD(500 nm), 630oC, P=500mTorr, SiH4 (49,5 sccm)and N2 (280sccm);c)Dopagem com fósforo SOG depositado porspinning;d)Difusão a 1150oC, 15 min. (Rs= 20Ω/sq.);e)Definição da linhas (largura de 20 µm) e contatos(500 µm x 500 µm), utilizando uma máscarafotolitográfica;

e)Deposição de Si3N4 por LPCVD (~ 500 nm),720oC;f)Definição da estrutura pelo método da maquinariade corte;g)Deposição química de níquel, seguida dadeposição de ouro ambos por "electroless" parapossibilitar a soldagem ultrasônica com fios de ouro;h)Conexões com fios de ouro ou pasta de prata ei)Formação do cloreto de prata.

Os resultados da fabricação dosmicroeletrodos após a etapa do corte da lâminade silício e sua inserção dentro do cateter, podeser observado na seqüência de fotos obtidas pormicroscopia eletrônica de varredura (SEM),figura 2, a qual possibilitou a obtenção dasdimensões finais do dispositivo e do cateter.

Figura 2 - Seqüência de fotos SEM do arranjo demicroeletrodos e sua montagem no cateter.

A conexão do contato do microeletrodo comoo mundo exterior é, como previsto, a parte maiscrítica da montagem no cateter. Verificou-se que autilização da conexão com fios de ouro, porsoldagem ultra-sônica, é inviável devido ao limitadoespaço entre o contato e a parede interna docateter, além do fato de ao proceder-se a introduçãodo dispositivo no cateter, o mesmo ocorre sob umacerta pressão o que danifica os fios de ouro deapenas 25 µm de diâmetro. A solução adotada, foi autilização de um fio de cobre esmaltado (φ=160 µm),isto é, isolado com um verniz, o qual foi introduzidodentro do cateter e conectado com o contato doeletrodo com um material epoxi condutor de prata(Epo-Tek H20E – Epoxi Tecnology Inc.). A cura foiobtida após a secagem sob uma lâmpada de 60W(90oC, 2 horas), a qual não provocou nenhum danoaparente no cateter.

8 mm

contato

430 µm

385 µm

Φe=0,91 mm

Φi=0,52 mm

fio de cobre (φ=160µm),interno ao cateter

20 µm

Si3N4

10 µm

SiO2 Si – poli n+

Resultados Experimentais e Discussão

Após a montagem, foram realizadosexperimentos in vitro com o cateter, noLaboratório de Farmacologia de ProdutosNaturais Marinhos do Departamento de Fisiologiado Instituto de Biociências da USP.

Foi utilizado um set-up que consiste de umgerador de sinais (estimulador) Grass S8800(Grass Instruments Co.), gerando pulsos detensão de 50V, duração de 2 ms e período de1 segundo, figura 3(a). Acoplado a esteequipamento tem-se uma unidade de isolaçãoGrass SIU8T, não mostrada, a qual excita doiseletrodos (E1 e E2) em um arranjo de quatroeletrodos espaçados de 5 mm imersos em umasolução eletrolítica (água do mar), figuras 3(b,c).Os sinais diferenciais, detectados nos eletrodosde prata cloretada (G1 e G2) do arranjo anterior,foram amplificados (10x) através de uma unidadepré-amplificadora Grass P55AC (banda passantede 10 Hz a 1KHz), adquiridos em uma placadigitalizadora e processados em um computadorPC, figuras 3(c,d).

Figura 3. Aparato experimental utilizado nostestes in vitro com o cateter; a) unidadeestimuladora (gerador de sinais), b) eletrodosutilizados para comparação, c) unidade pré-amplificadora e d) computador com placadigitalizadora de sinais.

Com o objetivo de comparar os resultados,utilizou-se, além do eletrodo de detecção G1(item a, abaixo) os materiais indicados,mantendo-se os demais eletrodos inalterados. Asrespostas estão indicadas na figura 4, sendorealizadas 30 estimulações consecutivas,utilizando as mesmas condições de estímulo edetecção.

a) Ag/AgCl do aparato pré-existente – figura (3b);b) Ag/AgCl comercial;c) Ag/AgCl do cateter.

Fig.4 - Resultados iniciais obtidos com várioseletrodos de detecção: a) Ag/AgCl do aparatoanterior, b) Ag/AgCl comercial e c) Ag/AgCl docateter.

Foi observada uma pequena variação nasamplitudes dos sinais para os eletrodos comerciale cateter, que pode estar associada a umadiferença em suas localizações espaciais emrelação aos demais eletrodos.

Os resultados obtidos nos testes in vitrosugerem a aplicabilidade do microeletrodo paradetecção dos potenciais cardiacos intracavitariosno rato.

Agradecimentos

Os autores desejam expressar seusagradecimentos a Juan Felipe Aggio doLaboratório de Farmacologia de ProdutosNaturais Marinhos do Departamento de Fisiologiado Instituto de Biociências da USP nos testes invitro com o cateter e ao Sr. Gilberto e CibeleFranco da empresa Semikron SemicondutoresLTDA. pela utilização de seu equipamento decorte de lâminas.

O autor agradece, também, o apoiofinanceiro da Fapesp sob contrato no 01/00861-9.

Artigos em Revistas e Anais e Capítulos deLivros

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a) b)

a) b)

c) d)

G1 G2 E2 E1

5 mm10 mm

c)

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Livros e Teses

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