dc.contributor
Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Física
dc.contributor.author
de la Cruz Sánchez, Jose Manuel
dc.date.accessioned
2023-07-24T20:23:47Z
dc.date.available
2023-07-24T20:23:47Z
dc.date.issued
2022-05-13
dc.identifier.uri
http://hdl.handle.net/10803/688832
dc.description.abstract
Los avances en neurociencia son posibles gracias al desarrollo progresivo de nuevas
herramientas y técnicas que ofrecen a los investigadores la capacidad de visualizar
y registrar cada vez más aspectos del sistema nervioso. De entre todas estas
herramientas, los electrodos y las matrices de microelectrodos nos permite medir
y estudiar directamente la actividad eléctrica producida por el cerebro y los demás
órganos del sistema nervioso, con una gran resolución espacial y temporal. Además,
los electrodos nos permiten establecer una comunica ción bidireccional con el
tejido neural, aplicando pulsos de estimulación eléctrica que pueden ser utilizados
para estudiar explorar distintos aspectos del cerebro o incluso para restaurar las
capacidades neurológicas perdidas a causa de enfermedades o accidentes.
La necesidad de materiales estables y biocompatibles, pero a la vez capaces
de registrar actividad eléctrica con bajo ruido e inyectar suficiente corriente
como para estimular el tejido neural, ha llevado a los investigadores a explorar
nuevos materiales para fabricar electrodos destinados a interactuar con el sistema
nervioso. Dentro de este marco, hemos explorado las capacidades de diferentes
materiales basados en el carbono para interactuar bidireccionalmente con el tejido
nervioso.
En esta tesis, hemos desarrollado matrices de multielectrodos de grafeno
monocapa con bajo ruido y las hemos utilizado para medir actividad eléctrica en
cultivos corticales primarios. También hemos desarrollado dispositivos de grafeno
monocapa transparentes y flexibles, con un sólo macroelectrodo, y los hemos
usado para medir electrorretinogramas, comparándolos con el estado actual de
la técnica para uso animal, utilizando un equipo de medida aprobado para uso
clínico y comercialmente disponible. Además, aprovechando la transparencia del
grafeno monocapa, hemos desarrollado matrices de microelectrodos transparentes
y, que nos permiten obtener información espacial del potencial corneal. En esta
tesis, también presentamos la fabricación de nuevos electrodos de óxido de grafeno
reducido, que nos han permitido desarrollar matrices de microelectrodos con
altas capacidades de inyección de carga y bajos valores de ruido eléctrico. Hemos
demostrado que estas matrices de microelectrodos son capaces de permitir el
crecimiento y desarrollo de cultivos primarios hipocampales saludables y de
comunicarse de forma bidireccional con ellos, realizando medidas y aplicando
estímulos de forma simultánea. Finalmente, y para explotar la versatilidad de
nuestras matrices de microelectrodos basadas en grafeno, hemos explorado tres
técnicas diferentes para guiar y controlar el crecimiento de neuronas cultivadas
sobre nuestros dispositivos, con el objetivo de desarrollar nuevas herramientas
diseñadas para estudiar diversos problemas neurocientíficos empleando la bottomup
neuroscience.
En general, los resultados presentados en esta tesis demuestran que los
electrodos basados en el grafeno, con su estabilidad, biocompatibilidad y
extraordinarias capacidades eléctricas, son herramientas extremadamente valiosas
para realizar estudios de neurociencia in vitro e in vivo.
ca
dc.description.abstract
Advancements in neuroscience are made possible by the progressive development
of new tools and techniques that offer researchers the capabilities to image and
record more and more aspects of the nervous system. Among them, microelectrode
arrays allow us to directly measure and study the electrical activity produced by
the brain and other organs of the nervous system with great spatial and temporal
resolution. Furthermore, electrodes allow us to bidirectional interface with neural
tissue, delivering electrical stimulation that can be used to further study the
brain or even to restore lost capabilities.
The need for stable and biocompatible materials, yet able to acquire high
signal-to-noise recordings and deliver enough current to successfully stimulate
neural tissue has driven researchers to explore new materials to fabricate electrodes
aimed to interface with the nervous system. Within this framework, we have
explored the capabilities of different graphene-based materials to bidirectionally
interact with nervous tissue.
In this thesis, we have developed low noise rigid single layer graphene
(SLG) microelectrode arrays (MEA) and have used them to record electrical
activity in primary cortical cultures. We have also developed transparent and
flexible SLG probes, containing one macro-electrode, and used them to record
electroretinograms (ERG), benchmarking them against the current state of the art
for animal recordings using a commercially available clinical setup. Furthermore,
we have pushed the capabilities of commercially available electrodes by developing
transparent and flexible MEA probes made of SLG, that allow us to obtain spatial
information of the corneal potential. In this work, we also present the fabrication
of novel reduced graphene oxide (rGO) electrodes; this technology has allowed us
to develop rGO MEA with high charge injection capabilities and low electrical
noise values. We have demonstrated that these MEA are able sustain healthy
hippocampal primary cultures and to bidirectionally interface them, performing
simultaneous recording and stimulation. Finally, and to exploit the versatility
offered by our graphene-based MEA, we have explored three different techniques
to guide and control the growth of neurons plated on top of our SLG and rGO
devices, aiming to provide new tools to study bottom-up neuroscience.
Overall, the results presented in this thesis prove that graphene-based electrode
technology, with its stability, biocompatibility and extraordinary electrical
performance, is an extremely valuable tool to perform in vitro and in vivo
neuroscience studies.
ca
dc.format.extent
217 p.
ca
dc.publisher
Universitat Autònoma de Barcelona
dc.rights.license
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dc.source
TDX (Tesis Doctorals en Xarxa)
dc.subject
Neurociencia
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dc.subject
Neuroscience
ca
dc.subject.other
Ciències Experimentals
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dc.title
Graphene devices for cell bioelectronics
ca
dc.type
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
dc.type
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.contributor.authoremail
jmdelacruzsanchez@gmail.com
ca
dc.contributor.director
Garcia Alias, Guillermo
dc.contributor.director
Del Corro Garcia, Elena
dc.rights.accessLevel
info:eu-repo/semantics/openAccess