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Type: TESE DIGITAL
Title: Fabricação de matrizes multieletrodos de 60 canais para futuro uso em culturas de células neurais
Title Alternative: Fabrication of 60 channel multielectrode arrays for future use with cultured neuronal networks
Author: Gomes, Vanessa Pereira, 1989-
Advisor: Swart, Jacobus Willibrordus, 1950-
Barros, Angélica Denardi de, 1982-
Abstract: Resumo: Uma área que está em crescente desenvolvimento reside no campo da neurociência básica, a estimulação e gravação das células nervosas. A possibilidade da aplicação da microtecnologia e os avanços nas ciências de materiais têm permitido gerar dispositivos cada vez mais sofisticados e com maiores funcionalidades. Neste cenário surgem as matrizes multieletrodos (MEAs), dispositivos que atuam como interface cérebro-computador, no qual a rede de microeletrodos faz a comunicação mundo eletrônico ¿ células (que geram o potencial de ação), têm atraído atenção. Com base nisso, este projeto tem como objetivo construir uma MEA de 60 canais para uso (registro e estimulação extracelular in vitro) em culturas de células neurais. Para tanto, inicialmente, foi produzido um conjunto de máscaras, que contêm os padrões utilizados na obtenção dos dispositivos através da técnica de fotolitografia. Na sequência, o procedimento experimental mostra as etapas de microfabricação de dois protótipos de teste denominados MEA1 e MEA2. Apresentamos as etapas de formação da intercamada, e de fotolitografia para formação dos eletrodos, trilhas, pads de contato e isolação, e a finalização do protótipo (colocação do anel de vidro). Assim, com o dispositivo concluído, foi realizada a caracterização do mesmo. Dentre os testes empregados estão: (1) caracterização das amostras, através de microscopia óptica e microscopia de força atômica; (2) Análise do nível de ruído nos eletrodos, por meio da amplitude dos potenciais elétricos registrados com a adição de uma solução salina padrão e verificação do valor RMS do sinal; (3) Teste de estimulação elétrica; e, (4) Teste dos eletrodos (Voltametria Cíclica e Espectroscopia de Impedância). O teste de ruído resultou em eletrodos da MEA1 com bons resultados, exibindo níveis compatíveis com o padrão da MultiChannel Systems. A MEA2 apresentou resultados semelhantes aos da MEA1. Para todos os testes, as amplitudes medidas foram de 10-20µVp-p. Quando o teste de estimulação foi executado, aplicando sinal com amplitude de 0,5mVp-p que simula o sinal obtido em um eletrocardiograma convencional, os mesmos eletrodos que apresentaram boa resposta no teste de ruído também exibiram bons resultados, mostrando um sinal muito próximo ao eletrocardiograma injetado pelo gerador de funções, porém com amplitude menor igual a 0,33mVp-p. Com relação ao teste de Voltametria Cíclica, as curvas resultantes das MEAs produzidas apresentaram formas semelhantes à curva da MEA da MCS, mas com densidade de corrente superior, com uma ordem de grandeza de diferença, e isto foi confirmado calculando os valores de Capacidade de Armazenamento de Carga. As MEAs 1 e 2 exibiram 0,63mC.cm-2 e 0,64mC.cm-2, enquanto a MEA comercial, 0,05 mC.cm-2, com janela de potencial de -1V a +1V. Por fim, o teste de Espectroscopia de Impedância mostrou que os resultados dos eletrodos que funcionam estão muito próximos àqueles encontrados para a Espectroscopia de Impedância na MEA da MCS, dado que as MEAs 1 e 2 apresentaram impedância a 1kHz de ~41k? e ~142 k?, respectivamente. Desta forma, a dissertação apresenta com êxito a implementação desde o desenvolvimento da máscara e das etapas de processo de microlitografia até a obtenção e teste de MEAs com microeletrodos funcionais

Abstract: An area that is in increasing development lies in the field of basic neuroscience, stimulation and recording of nerve cells. Possibility of the application of microtechnology and advances in material sciences have allowed to produce more sophisticated devices and with greater functionality. In this scenario the Multielectrode Array (MEA), which is a device that act as a brain-computer interface, where the microelectrodes network makes the communication electronic world ¿ cells (that generate an action potential), has attracted attention. Based on this, this project focuses on the fabrication of 60-channel MEAs for future use (in vitro recording and stimulation) with cultured neuronal networks. Therefore, initially, it was produced a set of masks that contain the patterns used in the confection of devices by photolithography technique. Next experimental procedure shows the microfabrication steps of two test prototypes called MEA1 and MEA2. We present the steps to form the interlayer, and photolithography steps for electrodes, tracks, contact pads and passivation fabrication, and finalization of the prototype with the placement of a glass ring. Thus, with the finished device, characterization thereof was performed. Among the tests used are: (1) sample characterization by optical microscopy and atomic force microscopy; (2) Noise analysis on the electrodes by the amplitude of the recorded electrical potentials with the addition of saline and scan of the RMS value of the signal; (3) electrical stimulation test; and (4) Electrodes test (Cyclic voltammetry and Impedance Spectroscopy). Noise test resulted in electrodes from MEA1 with good results, showing compatible levels with standard MultiChannel Systems (MCS). MEA2 showed similar results to the MEA1. For all tests, measured amplitudes were 10-20µVp-p. When stimulation test was performed, applying signal with amplitude of 0,5mVp-p that simulates obtained signal in a conventional electrocardiogram, same electrodes that responded favorably in noise test also showed good results, showing a very close signal to the injected electrocardiogram by the function generator, but with lower amplitude equal to 0,33mVp-p. Regarding the Cyclic Voltammetry test, resulting curves of produced MEAs showed similar forms to the curve of MEA from MCS, but with higher current density, about a difference of an order of magnitude, and this was confirmed with Charge Storage Capacity values. MEAs 1 and 2 showed 0,63 mC.cm-2 e 0,64 mC.cm-2, while commercial MEA, 0,05 mC.cm-2, with potential window of -1V to +1V. Finally, Impedance Spectroscopy test showed that the results of the electrodes which work are very close to those found for Impedance Spectroscopy MEA from MCS, since MEAs 1 and 2 showed impedance at 1kHz of ~41k? and ~142k?, respectively. Therefore, this master thesis presents successfully the implementation of MEAs, from the development of the mask; the microlithography processes steps to obtain MEAs to the performed tests with functional microelectrodes
Subject: Microfabricação
Microeletrodos
Neurônios
Estimulação elétrica
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2015
Appears in Collections:FEEC - Dissertação e Tese

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