Hugo Vara Rivera
Laboratorio de Reparación Neural y Biomateriales, Hospital Nacional de Parapléjicos / Grupo de Bioingeniería, UCLM, Escuela de Ingeniería Industrial de Toledo.
03 de julio de 2015
Williams DF (2008) Biomaterials 29:2941-2953
PEEK = polieter eter cetonaPMMA = polimetilmetacrilatoPTFE = politetrafluoroetileno (teflón)(UHMW) = ultra-high molecular weightSIBS = Poliestireno-isobutileno-estireno
Implantes: materiales utilizados y sus aplicaciones
RegistroEstimulación
Implantes en el sistema nervioso central: objetivos
Registro INVASIVOArray de microelectrodos para registro de señales en el cerebro (Blackrock Microsystems LLC). 4 mm de longitud. 100 electrodos.
Registro NO INVASIVORed de 256 electrodos para registro de actividad cerebral. Los electrodos revelan qué regiones del cerebro están más activas durante distintos tests propuestos.
Registro de actividad neural: sistemas invasivos y no invasivos
Estimulación cerebral profunda (DBS) en el núcleo subtalámico. INVASIVO
Esquema de un implante coclear. INVASIVO
Sistemas invasivos para la estimulación del sistema nervioso
Ventajas de los sistemas invasivos
- Sensibilidad y precisión
- Dispositivos transportables
Biocompatibilidad:
- Bioseguridad
- Biofuncionalidad
- Bioestabilidad
- Biotolerabilidad
Requisitos:
- Diseño
- Comunicación (bidireccional)
- Interfaz eléctrica
- Biocompatibilidad
Problemáticas de los dispositivos invasivos
Reacciones aguda y crónica de encapsulamiento glial causadas por la inserción de un electrodo intracortical en la corteza cerebral.
A) Astrocitos y microglía se activan y migran hacia el sitio de lesión.
B) B) Respuesta crónica de una envuelta densa alrededor de los implantes; contiene fibroblastos, macrófagos y astrocitos.
Marin C and Fernández E. (2010) Front Neuroeng 3: 8
Reacciones del sistema nervioso a la implantación de electrodos
- Rigidez
- Forma / estructura
- Material
- Tamaño
Polipirrol Politiofeno Politietilendioxitiofeno (PEDOT)
Variables a considerar en el diseño de electrodos
Material: polímeros usados como recubrimiento en electrodos
Christofori G (2006) Nature 441:444-450
Moléculas de adhesión celular: N-Cadherina
- Adhesión entre células
- Extensión de prolongaciones
- Guía y fasciculación axonal
- Ramificación
Modificación avanzada de la superficie de electrodos:ingeniería molecular
- Migración neuronal
- Plasticidad sináptica
Anti-human IgG N-Cadherin(chimera-human IgG)
1 µm1 µm
Esquema de fabricación de microelectrodo biofuncionalizado
EDC/NHS ( EDC = N-(3-dimethylaminopropyl)-N’-ethylcarbodiimide. NHS = N-hydroxysuccinimide )
PEDOT:PSS-co-MA
50 µm
A
5 µm
B
3 µm
C
A B
Caracterización del microelectrodo (I): S.E.M. y voltametría cíclica
Caracterización del microelectrodo (II): aplicación de pulsos
α-NCad α-NCad
NCadE AHIgGE
α-HIgG α-HIgG
co-MAEAHIgGE
A B
10 µm
Caracterización del microelectrodo (III): biofuncionalización
CFE
co-MAE
NCadE 0.1 mV
1 s
50 µV1 ms
Registros de actividad espontánea in vitro.
(MUA = multi-unit activity)
CFE
co-MAE
NCadE50 µV
2 s
Relaciónseñal /ruido (SNR)
Evaluación del ruido eléctrico de fondo en el electrodo
CONCLUSIONES
- Hemos fabricado un prototipo de electrodo biofuncionalizado, con núcleo de microfibra de carbono, revestimiento de polímero (PEDOT-co-MA) y posterior recubrimiento de una proteína de adhesión intercelular (N-Cadherina).
- En el registro de actividad neural in vitro, este electrodo presenta las siguientes ventajas:
• Mayor capacidad de carga y disminución de ruido de fondo. Por las propiedades del polímero de revestimiento.
• Mayor capacidad de detección de actividad unitaria neuronal. Proporcionada por la presencia de la molécula biológica de adhesión N-Cadherina. Sugiere interacción íntima entre el electrodo y el tejido, facilitando la transmisión de carga o disminuyendo la resistencia de la interfase electrodo/tejido.
- Se espera que este electrodo ofrezca una mejora en biocompatibiliad con el tejido, en comparación con otros electrodos. Actualmente en estudio, mediante técnicas histológicas.
- El proceso de biofuncionalización abre las puertas a sistemas de registro de actividad neural de alta fidelidad que, al mismo tiempo y dependiendo de la biomolécula empleada, permitan evitar efectos biológicos indeseados o incluso inducir efectos fisiológicos específicos.
- Jorge E. Collazos Castro. Laboratorio de Reparación Neural y Biomateriales,
Hospital Nacional de Parapléjicos.
- José Luis Polo Sanz. Grupo de Bioingeniería, Universidad de Castilla-La
Mancha, Escuela de Ingeniería Industrial de Toledo.
AGRADECIMIENTOS
0.5 mV
20 s
CFE
co-MAE
NCadE
100 µs
0.5 mV
Electrodo de registro de oro con forma de champiñón. Las células lo engloban literalmente, permitiendo un acoplamiento eléctrico incrementado. Distancia mínima electrodo-célula.
Hai et al. (2010) J Neurophysiol 104:559-568
Array de microelectrodos con nanotubos de carbono. Cada puntito negro es una microisla con nanotubos de carbono (ver derecha). Las 60 islas centrales son electrodos individuales
Shoval et al. (2009) Front Neuroeng 2:4
Abidian MR. and Martin DC (2008)Biomaterials 29: 1273-1283
Microelectrodos de iridio modificados mediante la modificación de la superficie con nanotubos de polipirrol (polímero conductor)
Cobertura de PEDOT (polímero conductor) sobre un electrodo circular de oro
Ludwig et al (2011) J Neural Eng 8:014001
Comparación de la disrupción causada en la corteza cerebral de una rata tras el implante de:
-Un electrodo de microfibra recubierto con PEGMA (polietilenglicol metacrilato), y con punta punta de PEDOT:PSS, o
- Un electrodo de silicio (10 mm).
En rojo: marcaje con una molécula que no pasa la BHE. Por tanto, marca la rotura en la vascularización.
Kozai et al. Nature Materials (2012) 11:1065-1073
Componentes de un implante coclear
A B D
CE