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Autor: Manuel Eduardo Martínez Cartagena
Manuel Eduardo Martínez Cartagena (2022)
El estudio de las interfaces entre materiales y sistemas biológicos resulta medular en el diseño de nuevas estrategias para el tratamiento, control o reversión de patologías diversas, la ingeniería celular es un área que ha cobrado un creciente interés en los últimos años, en especial el desarrollo de neurointerfaces con fines diversos, desde tratamientos por estimulación directa de los diferentes grupos celulares que conforman el sistema nervioso hasta control de sistema cerebro-maquina. La ingeniería bioelectrónica en general busca la conexión estable y compatible entre dispositivos vinculados a órganos o tejido electrogénicos, lo que permitirá el control de prótesis, computadoras, manejo de sistemas remotos, etc. De la misma manera la electrofisiología y la neuroquímica persiguen la compresión de los fenómenos moleculares que subyacen a la electrogénesis y como la alteración de estos propicia el surgimiento de patologías, la investigación reciente entre sistemas de registro/estimulación entre células y dispositivos demanda tres principales objetivos que siguen persiguiéndose: biocompatibilidad, mínima impasividad y alta fidelidad de funcionamiento. Diversas fuentes de estimulación han sido empleadas para activar señales bioeléctricas entre las que destacan los estímulos ópticos, magnéticos y eléctricos, quizás la estimulación eléctrica es la más antigua de los medios de estimulación de células electrogénicas, entre ellas las neuronas, por lo cual desarrollar materiales que cumplan con los tres criterios antes descritos es un reto vigente en la ingeniería neuronal, en este trabajo se planteó el uso de materiales poliméricos conductores como interfaces en el registro de señales bioeléctricas, estimulación eléctrica directa e inalámbrica de neuronas .
En el capítulo II se describe un estudio sistemático de la síntesis biomimética de copolímeros EDOT-Py y EDOT-ANI catalizados por hematina y ferroceno, así como es análisis del efecto del contraión en el dopaje de los mismo, se encontró que por primera vez que el efecto del catalizador ejerce un efecto dominante en las propiedades de conductividad, morfología y estabilidad superficial de las nanopartículas de polímero, se caracterizó la cinética de la hematina En el capítulo III se estudió la fabricación de electrodos recubiertos con copolímeros semiconductores por deposito electroforético, lo cual constituye la primera demostración de esta técnica en la manufactura de electrodos como neurointerfaces. los electrodos recubiertos por copolímeros EDOT-Py:PSS y EDOT-ANI:PSS en presencia de MnO2 evidenciaron capacitancias especificas elevadas (4.2 - 2 F/cm2) respecto a los copolímeros en bulk dopados con PSS (2 – 0.2 F/cm2) y en presencia de fosfatos se alcanzó capacitancias de hasta 1.2 F/cm2. En el capítulo IV se demostró por primera vez el uso de este tipo de electrodos para ensayos electrofisiológicos (ECG y EMG), los cuales mostraron que los electrodos fabricados por deposito con copolímero EDOT-PY 0.9-0.1/PO4 son altamente sensibles para registrar los trazos y señales bioeléctricas, presentaron bajo ruido térmico (4 µV) y alta relación señal-ruido (18.5 - 14 dB), que permito obtener trazos electrocardiográficos y electrormiograficos más definidos, lo cual es ideal para la diagnosis medica de desórdenes en músculos y fibras cardiacas, este trabajo constituye el primer reporte de electrodos fabricados por DEP aplicados exitosamente a electrofisiología. En el capítulo V se realizaron por primera vez registros de potenciales de acción usando neuronas de ganglio subesofágico de Helix aspersa, mostraron que los electrodos fabricados por deposito electroforético de copolímero EDOT-PY 0.9-0.1/PO4 son altamente sensibles a señales bioeléctricas y estables en la aplicación de corriente con una capacidad de
almacenamiento de carga (CSC) de hasta 0.57 mC/cm2, presentaron bajo ruido térmico (4 µV) y alta relación señal-ruido (SNR= 32 dB) contra 22 dB de los electrodos de Ag/AgCl. La citotoxicidad intrínseca del electrodo recubierto con copolímero se estudió mediante células ND7/23 cultivadas sobre un sustrato de vidrio, es la viabilidad celular fue del 99% tras 72 h de proliferación. En el capítulos VI, se desarrolló un nuevo paradigma de estimulación eléctrica inalámbrica mediante el uso de nanopartículas de copolímero EDOT- PY 0.9-0.1 TSA:PSS para acelerar la diferenciación celular de la línea celular hibrida ND7/23, el enfoque de estimulación eléctrica inalámbrica a través de partículas de copolímero conductor mostro ser un enfoque inédito y funcional para estimular eléctricamente sin manipulación directa los cultivos celulares prescindiendo de la necesidad de electrodos en contacto con el medio, las partículas de copolímero empleado mostraron alta capacitancia especifica en la pruebas de carga y descarga galvanostatica a diferente densidad de carga, además el análisis. El análisis de biocompatibilidad live/dead llevado a cabo mediante citometría de flujo demostró una alta viabilidad (98%) celular tras 24 y 48 h para cultivos no diferenciados de ND7/23 a una concentración de 50 µg/mL. Los resultados obtenidos a lo largo de esta tesis doctoral representan aplicaciones versátiles desprendidas del uso extensivo de materiales sintetizados por métodos biomimeticos, la manufactura de electrodos por DEP, el registro electrofisiológico, la estimulación eléctrica intracelular de neuronas y la estimulación inalámbrica por nanopartículas que actúan como nanocapacitores son aproximaciones con potencial de uso en la práctica clínica y científica del estudio de células electrogénicas, y representa una demostración fehaciente que futuro de los materiales conductores orgánicos es prominente, ya que suponen ventajas de síntesis, fabricación y uso en ingeniería biomédica que sobrepasan a la mayoría de materiales metálicos convencionales en el área.
Tesis de doctorado
Doctorado en tecnología de polímeros BIOLOGÍA Y QUÍMICA QUÍMICA QUÍMICA