Development of new conductive polymers and microscopic studies for improving neural interfaces

Abstract

Los accidentes que causan daños en el sistema nervioso y las enfermedades neurodegenerativas suelen tener consecuencias graves. Una de las principales razones es que la regeneración de las células nerviosas y el restablecimiento de las conexiones sinápticas adecuadas no son posibles en la mayor parte de casos. Otra razón es que las neuronas muertas no pueden ser reemplazadas con nuevas neuronas. En este contexto, los recientes avances tecnológicos en el campo de las neurociencias y la neuroingeniería junto con el desarrollo y fabricación de nuevos sistemas de microelectrodos con dimensiones cada vez más similares a las neuronas con las que pretenden interaccionar, están permitiendo que estos microdispositivos puedan ser considerados como una alternativa real para la recuperación parcial de algunas enfermedades y degeneraciones del sistema nervioso (Marin and Fernández 2010, Normann et al 1999, Ranck 1975, (Hochberg et al 2006). Sin embargo no debemos olvidar que la inserción de cualquier tipo de electrodo en el tejido nervioso es siempre un procedimiento traumático. Así cuando se introduce un electrodo en el parénquima cerebral, se produce inicialmente un cierto daño mecánico, que ocasiona una reacción inflamatoria aguda que puede transformarse en una respuesta inflamatoria crónica que se caracteriza por proliferación de astrocitos y activación de células microgliales en la proximidad de los electrodos, que llegan a quedan rodeados de una capa que contiene abundante colágeno y células gigantes multinucleadas (Marin and Fernández 2010; Seymour and Kipke 2007). Esta reacción puede llegar a comprometer seriamente la utilidad y aplicación de estos microelectrodos, por lo que uno de los objetivos de la presente investigación ha sido ensayar diversos recubrimientos, basados en polímeros conductores, con el fin de mejorar su biocompatibilidad a largo plazo gracias a sus características fisicoquímicas, biológicas, y eléctricas (Otero 2009, Martinez and Otero 2013, Fonner et al 2008). Por otro lado, la tecnología ha avanzado mucho en el contexto de los equipos de la microscopía y esta permitiendo hacer observaciones en vivo que eran impensables hace pocos años. Una de las técnicas más avanzadas en este contexto es la microscopía holográfica digital (DHM). La DHM permite analizar de una manera cuantitativa los mecanismos, la dinámica, y las actividades de los tejidos biológicos. A diferencia de las técnicas fotoquímicas, la microscopía holográfica digital no necesita marcadores fluorescentes, ni anticuerpos y es capaz de hacer imágenes 3D en tiempo real (Gabor 1948, 1972, Marquet et al 2005). En esta Tesis Doctoral se han desarrollado nuevos recubrimientos para mejorar la biocompatibilidad y las características electroquímicas de microelectrodos destinados a interaccionar con poblaciones de células nerviosas. Los efectos de los diferentes recubrimientos han sido estudiados en soluciones salinas e “in vitro”. Nuestros resultados han permitido desarrollar nuevos recubrimientos, basados en polímeros conductores, que permiten mejorar las características físico-químicas de los electrodos convencionales, y mejorar su relación señal/ruido. Estos resultados se presentan en los capítulos cuatro y cinco de la Tesis. Por otro lado, se han realizado estudios, usando técnicas de microscopía holográfica digital, para estudiar el efecto termoeléctrico de los estímulos eléctricos sobre los propios microelectrodos. Para estos estudios se han empleado electrodos estándar de nitruro de titanio y electrodos recubiertos de polipirrol. Gracias a la utilización de la DHM, ha sido posible demostrar la mayor estabilidad del polímero al aplicar una corriente eléctrica. También se ha usado la DHM para caracterizar la morfología y la dinámica de las neuronas in vitro. Los resultados de estos estudios se presentan en los capítulos seis, siete y ocho de esta Tesis Doctoral. En el futuro esperamos ser capaces de utilizar la DHM para desarrollar modelos y patrones de las actividades neuronales. Ello nos permitirá correlacionar la dinámica celular con los cambios físicos que ocurren a nivel de las células. Además esperamos ser capaces de visualizar en tiempo real los cambios que se producen en las células nerviosas como consecuencia de la estimulación eléctrica.