Electrical characterization of electronic interfaces to communicate with electrogenic cells in vitro

This document reflects the work done in the development of new electronic biocompatible and biodegradable materials that allow the construction of implantable transistors in living beings, able to communicate with nerve cells (neurons). These electronic components will be able to repair parts of the nervous tissue and restore communication between the nerve tissues, e.g. repair spinal cord injury. The motivation of this work arises from the need to develop new instruments that help us understand fundamental aspects of biology, in particular on how nerve cells interact with each other and respond to electrical and biochemical stimuli. For this purpose, a search was performed involving various aspects, (i) applying biocompatible materials with electrical properties for constructing transistors, (ii) the study of electrochemical processes occurring at the interface between the transducer and the cell membrane, and (iii ) acquisition and stimulation of bioelectric signals. During investigation were characterized electronic components capable of operating in complex electrolyte media, in particular, capacitors of the type Metal-Insulator- Semiconductor (MIS); electrical noise measurement techniques and spectral analysis for identifying bioelectrical signals were carried out, and were obtained and characterized the bioelectric signals produced by cells when subjected to electrical and extracellular biochemical stimulation. These technical measures prove the possibility to monitor the cells adhesion and their health state, their bioelectric activity and the effect caused by the addition of extracellular stimuli.O presente documento reflete o trabalho realizado no âmbito do desenvolvimento de novos materiais eletrónicos biocompatíveis e biodegradáveis que veio permitir a construção de transístores implantáveis em seres vivos e capazes de comunicar com células nervosas (neurónios). Estes componentes eletrónicos serão capazes de reparar partes do tecido nervoso e restaurar a comunicação entre tecidos nervosos, por exemplo reparar lesões na medula espinal. A motivação deste trabalho surge com a necessidade de desenvolver novos instrumentos que nos ajudam a perceber aspetos fundamentais da biologia, nomeadamente sobre como as células nervosas interatuam umas com as outras e respondem a estímulos elétricos e bioquímicos. Para tal, foi efetuada uma pesquisa que envolve vários aspetos, (i) a aplicação de materiais biocompatíveis com propriedades elétricas para a construção de transístores, (ii) estudo de processos eletroquímicos que ocorrem na interface entre o transdutor e a membrana celular, e (iii) a aquisição e estímulo de sinais bioelétricos. No decorrer da investigação, foram caracterizados componentes eletrónicos capazes de operar em meios eletrolíticos complexos, nomeadamente, condensadores do tipo Metal-Isolador-Semicondutor (MIS); foram realizadas técnicas de medidas de ruído elétrico e análise espectral para a identificação de sinais bioelétricos, bem como foram obtidos e caracterizados os sinais bioelétricos produzidos por células quando submetidas a estímulos elétricos e bioquímicos extracelulares. Estas técnicas de medidas vêm comprovar a possibilidade de monitorizar a adesão das células e o seu estado de saúde, a sua atividade bioelétrica e o efeito provocado pela adição de estímulos extracelulares.Universidade do Algarve, Faculdade de Ciências e Tecnologi