Graphene devices for cell bioelectronics

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.

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.