Sonda neuronal baseada em silício

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Eletrónica Industrial e ComputadoresO uso de interfaces neuronais para aceder a áreas profundas do cérebro e fazer monitorização ou estimulação das células neuronais é uma ferramenta chave para o estudo do sistema neuronal e seus constituintes. No presente trabalho foi fabricada uma sonda neuronal baseada em silício. O principal objetivo foi o fabrico de uma sonda com vários pontos de leitura (microelétrodos) capazes de fazer monotorização/estimulação elétrica das células neuronais. A sonda deve ser capaz de realizar estimulação cerebral profunda e ficar implantada no cérebro de um rato até vários dias. O processo de fabrico desenvolvido deve antever o posterior acoplamento de um micro-LED realizando apenas mínimas alterações. O posterior acoplamento de um micro-LED na sonda neuronal irá permitir a estimulação/inibição ótica das células neuronais. A uma sonda neuronal com a capacidade de estimular/inibir oticamente as células neuronais, chama-se normalmente de “optrode”. Os optrodes são dispositivos utilizados no estudo da optogenética. Foram utilizados vários processos de microfabricação e materiais para a construção da sonda neuronal. O material utilizado para a base da sonda neuronal foi o silício e a estrutura pretendida foi conseguida recorrendo a corte por lâmina. Foram usados processos de litografia e deposição por vapor físico (PVD) para criação das pistas, contactos e dos microelétrodos. As pistas têm largura de 20 μm e os microelétrodos têm áreas que variam entre 250 μm2 e 90000 μm2. Utilizou-se 50 nm de Ti seguidos de 100 nm de Pt para as pistas, contactos e microelétrodos. Para o encapsulamento e isolamento elétrico da sonda foi utilizado o polydimethylsiloxane (PDMS), dado ser um material biocompatível e com propriedades óticas importantes para o posterior acoplamento de um micro-LED. A sonda neuronal desenvolvida é biocompatível e tem aproximadamente 8 mm de comprimento útil, 800 μm de largura e 525 μm de espessura. A caracterização mecânica da sonda neuronal foi realizada através de implantações com recurso a um dinamómetro em gelatina agar-agar e em cérebro de vitelo. A espectroscopia de impedância foi utilizada para a caracterização eletroquímica dos microelétrodos. O processo de fabrico otimizado permite o futuro acoplamento de um micro-LED, o que abre caminho para futura utilização no estudo da optogenética.The use of neural interfaces to access deep areas of the brain and to record or stimulate neural cells is a key tool to study the neural system and its constituents. In this work, a silicon based neural probe was fabricated. The main objective was the manufacture of a probe with several recording points (microelectrodes) capable of electrically record/stimulate neural cells. The probe must be able to perform deep brain stimulation and be implanted in a mouse brain up to several days. The developed manufacturing process must anticipate the subsequent coupling of a micro-LED with minimal changes. The following coupling of a micro-LED in the neural probe will allow optical stimulation/inhibition of neuronal cells. A neural probe with the ability to optically stimulate/inhibit neuronal cells is usually called "optrode". Optrodes are devices used in optogenetic studies. Several micro-fabrication processes and materials were used for the neural probe development. Silicon was used as base material for the probe and the desired structure was achieved by blade dicing. Lithography and physical vapor deposition (PVD) technics were used for the tracks, contacts and microelectrodes. The tracks are 20 μm wide and the microelectrodes have areas ranging from 250 μm2 to 90000 μm2. 50 nm of Ti followed by 100 nm of Pt were used for the tracks, contacts and microelectrodes. Polydimethylsiloxane (PDMS) was used for the encapsulation and electrical insulation of the probe, since it is a biocompatible material and have important optical properties for the subsequent coupling of a micro-LED. The developed neuronal probe is biocompatible and is approximately 8 mm in useful length, 800 μm wide and 525 μm thick. The mechanical characterization of the neuronal probe was performed through implantations in an agar-agar gelatin and a calf brain using a dynamometer. Impedance spectroscopy was performed for the microelectrodes electrochemical characterization. The optimized fabrication process allows the future coupling of a micro-LED, which allows future utilization in optogenetic studies