SU-8 microprobes for biomedical applications

Resumen

La presente tesis doctoral aborda el diseño, fabricación, encapsulado, y caracterización de microagujas de SU-8 para aplicaciones médicas. En la actualidad existe una amplia variedad de agujas para el registro, estimulación y dispensado de drogas, pero se han observado algunas limitaciones en relación a su diseño y material estructural utilizados. En este trabajo se han desarrollado microagujas basadas en la tecnología de SU-8 como alternativa a las agujas actuales. Primeramente se diseñan las agujas para cada tipo de aplicación, después se determinan los procedimientos de fabricación y finalmente se desarrollan los encapsulados para conectar la aguja miniaturizada con el exterior macroscópico. La aplicación de las agujas se ha centrado en dos campos biomédicos: 1) la monitorización de órganos tal como el riñón, y 2) el registro de la actividad neuronal, añadiendo la posibilidad de realizar dispensado de drogas de forma simultánea. El primer objetivo es crear microagujas que causen el menor daño posible en el tejido biológico. Las mediciones eléctricas que se llevan a cabo para conocer el estado real del tejido pueden resultar modificadas, debilitadas o destruidas si las células que constituyen el tejido han sido previamente dañadas. En este trabajo, se desarrollan microagujas basadas en la tecnología MEMS (micro electromechanical systems) para evitar daños profundos en el tejido y poder así realizar mediciones fidedignas. La tecnología MEMS integra elementos y dispositivos eléctricos, mecánicos y electrónicos miniaturizados, los cuales están basados en la industria consolidada de los Circuitos Integrados (IC). Generalmente, las dimensiones de los elementos basados en MEMS son de entre 1 y 100 micras y los dispositivos pueden variar entre 20 micras y 1 milímetro. Las técnicas base de esta tecnología son la deposición de materiales en láminas, la fotolitografía y el grabado. El silicio es el material más utilizado para crear los múltiples dispositivos MEMS, sin embargo, su rigidez y fragilidad ha motivado el estudio de otros materiales tales como los polímeros. En esta tesis se ha utilizado el polímero SU-8 como material estructural debido a sus propiedades favorables para la fabricación de microagujas. Además, la fabricación de microagujas con este polímero permite el uso de procesos de bajo coste. Esta fotoresina presenta una baja absorción a la luz UV, posibilitando exposiciones uniformes en función del espesor del polímero. Así, se obtienen perfiles verticales y un buen control dimensional para toda la estructura. Además, estudios recientes muestran una adecuada biocompatibilidad del polímero SU-8. El segundo objetivo es obtener la más alta relación señal-ruido posible en las mediciones eléctricas. Para ello se han integrado microelectrodos en las agujas y se ha estudiado la constitución física, la configuración espacial y los tratamientos superficiales de los mismos. Un determinado diseño para cada aplicación y la modificación de las técnicas de fabricación han dado como resultado una óptima capacidad sensora de los electrodos. Así, se ha demostrado su uso a través de la monitorización de episodios de isquemia y reperfusión en riñón de rata. En cuanto a las aplicaciones neuronales, se han registrado potenciales de acción con una amplitud de hasta 400-500 ¿V en hipocampo de rata. Además, se ha demostrado que los microelectrodos son capaces de discriminar diferentes fuentes neuronales. Todos estos resultados han demostrado la versatilidad del polímero para crear dispositivos sensores con aplicación en diversas áreas biomédicas. El último objetivo de esta tesis ha sido integrar canales microfluídicos en la aguja para poder dispensar drogas en aplicaciones neuronales y como resultado, detectar cambios en la actividad neuronal. Finalmente, se han llevado a cabo los primeros experimentos fluídicos in vivo en hipocampo de rata como prueba de concepto. Se dispensan 0.5 ¿l de una disolución de kainato y a continuación se registra un incremento en la actividad neuronal. Los resultados preliminares han demostrado la funcionalidad de la aguja para dispensar y monitorizar de forma simultánea aunque se tienen que realizar más experimentos y optimizar el protocolo experimental para verificar el buen funcionamiento de la aguja. En estos momentos, se están realizando más experimentos neuronales para llegar a establecer la tecnología desarrollada en esta tesis.