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