Diseño y caracterización de interfaz células neuronales-substrato metálico a través de una película de nanotubos de carbono Public Deposited
Las interfaces neuronales tienen la misión de establecer comunicación bidireccional entre el tejido nervioso y un dispositivo externo con el fin de desarrollar sistemas que permitan utilizar las señales bioeléctricas para controlar funciones motoras, sensitivas o de estimulación. Este tipo de interfaces están constituidas generalmente por circuitos electrónicos y electrodos. Uno de los principales puntos que se debe tener en consideración dentro de la construcción de una interfaz neuronal es el electrodo empleado para el registro de estas señales. Las características del electrodo tienen que asegurar la biocompatibilidad y la adecuada transmisión de la señal bioeléctrica con la mejor relación señal-ruido posible. Los nanotubos de carbono (NTC) es un material desarrollado por la nanotecnología que pretende ser empleado para la construcción de electrodos en las interfaces neuronales ya que cuenta con propiedades químicas, eléctricas y mecánicas adecuadas para este propósito. En este caso, en el proceso de adquirir y transmitir señales bioeléctricas en las interfaces neuronales, es muy importante la propiedad de conducción eléctrica de los NTC así como la manera en que el material celular se adhiere a ellos. El proyecto que a continuación se presenta, tiene como principal objetivo: evaluar la transmisión de señales bioeléctricas a través de los NTC. Con este fin, se diseñó y construyó un electrodo con una superficie formada por una película de NTC sobre la cual se sembró y cultivo material celular neuronal. Antes de colocar las células sobre el electrodo de NTC, se le hicieron pruebas de conductividad para comprobar que era capaz de transmitir señales eléctricas además de una caracterización de la superficie por medio de microscopía de fuerza atómica (AFM por sus siglas en inglés) y microscopía electrónica de barrido (SEM por sus siglas en inglés), ya que la textura y rugosidad de la superficie del material sobre la que se cultiva material celular es importante para el proceso de fijación de las células. El material celular cultivado sobre los electrodos de NTC, fueron células neuronales de cerebelo de rata, obtenidas a partir de cultivo primario y células de feocromocitoma de rata, provenientes de la línea celular PC12. Para tener un punto de comparación en los experimentos, el mismo material celular fue cultivado en ausencia de los NTC (controles). Este cultivo se hizo por un periodo mínimo de dos semanas, donde se observó el crecimiento celular en presencia y ausencia de los NTC. Posteriormente, con equipo electrofisiológico se obtuvieron potenciales de membrana en reposo y empleando la técnica de fijación de corriente, se registró la actividad eléctrica celular usando un microelectrodo intracelular, mientras que para el registro de la actividad eléctrica extracelular se empleó el electrodo de NTC. Es decir, para la evaluación/comprobación de la transmisión de señales bioeléctricas a través de los NTC, se registró simultáneamente la actividad eléctrica con un microelectrodo intracelular y con el electrodo extracelular de NTC. Finalmente, se volvieron a emplear las técnicas de microscopía antes mencionadas para observar el crecimiento y adhesión de las células sobre el electrodo de NTC para analizar si existía alguna relación entre la transmisión de las señales eléctricas y la forma en que las células crecieron sobre la película de NTC. Los resultados muestran que los NTC, es un buen material para construir electrodos en interfaces neuronales ya que se logró observar crecimiento neuronal sobre la película de NTC de los electrodos, el cual fue similar al crecimiento celular en los controles. Respecto a la actividad eléctrica, y para el caso de las células pertenecientes al cultivo primario, se registraron los potenciales de membrana en reposo. Estos potenciales fueron similares tanto para las células cultivadas en los controles como para las cultivadas en el electrodo de NTC. Resultados análogos se obtuvieron cuando se empleó la línea celular PC12. Asimismo, con la técnica de fijación de voltaje, se midieron las corrientes iónicas transmembranales para el cultivo de la línea celular PC12 en el electrodo de NTC; las corrientes iónicas fueron similares a las obtenidas en ausencia de los NTC. Por otra parte, el curso temporal similar de las señales bioeléctricas obtenidas con el microelectrodo intracelular y el extracelular de NTC indicaron una adecuada transmisión de este tipo de señales a través ellos. El crecimiento celular similar en presencia y ausencia de los NTC y la no alteración de las propiedades eléctricas de las neuronas por los mismos así como los exitosos registros simultáneos intra y extracelulares indican que además de poseer buenas propiedades conductoras, este material no presenta efectos neurotóxicos. Existen aún elementos a mejorar en el diseño y construcción de electrodos basados en NTC; sin embargo, este estudio revela que es factible la utilización de este material ya que es biocompatible y transmitió de manera adecuada la señal bioeléctrica del material celular.
Neural interfaces have the purpose of establishing bidirectional communication between the nervous system and one external device in the interest of developing systems that use bioelectrical signals from the human body to control motion, sense or stimulation functions. This type o interfaces are mainly built by electronic circuits and electrodes. One of the key points to be taken into account in constructing a neural interface is the electrode used for recording these signals, such electrode has to satisfy two important characteristics: biocompatibility and the optimal bioelectrical signal transmission with the best signal to noise ratio. Carbon nanotubes (CNT) is a material developed by nanotechnology science that can be used for the construction of electrodes in neural interfaces because it has suitable chemical, electrical and mechanical properties for this purpose. In this case, the bioelectrical signal transmiting/aqcuiring process in neural interfaces, the electrical conductivity properties of CNT in conjunction with the form in which cellular material adheres to them, are very important issues. This project has as main objective to assess the transmission of bioelectric signals through the CNT. To achieve this objective, an electrode with a surface formed by a thin film of CNT was constructed and over this surface, neural cells were seeded and cultured. For a point of comparison in the experiments, the same cellular material was grown in absence of CNT (controls). The culture was for a minimum of two weeks, during this time cell growth on both controls and electrodes was monitored visually. Afterwards, the electrical activity of the cells was recorded employing electrophysiology laboratory techniques. Intracellular electrical activity was recorded with an intracellular microelectrode while the extracellular electrical activity was recorded through the constructed electrode. This means that to evaluate/confirm the bioelectrical signal transmission through the CNT, a simultaneous record of the bioelectrical signal was made. The results show that CNT is a good material for electrode construction in neural interfaces because a significant cell growth over the CNT film in the electrode was obtained, which was similar to cell growth in the controls. Concerning the electrical activity, membrane rest potentials were acquired for the cells coming from the primary culture. These potentials were similar for both the controls and the electrodes. For the PC12 cell line similar membrane rest potentials and ionic currents were acquired for both the controls and the electrodes. On the other hand, a satisfactory extracellular record of the bioelectrical signal through the electrode was achieved indicating that transmission of such signals through them is possible. The growth of cellular material on the film and the recordings of electrical activity of cells were indicators that the CNT did not have neurotoxic effects. There are still some elements to improve in the design and construction of electrodes based on this material, however, the study reveals that it is feasible to use this material because its biocompatibility and it adequately conveyed bioelectrical signals of the cellular material.
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