SU-8 microprobes for biomedical applications

152 p. : il.[ES]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

Hormones and bile acids as biomarkers for the characterization of animal management in prehistoric sheepfold caves: El Mirador case (Sierra de Atapuerca, Burgos, Spain

Early husbandry practices that include herd management and the use of livestock areas such as sheepfold caves can be analysed in the context of different disciplines (e.g. zooarchaeology, micromorphology, and archaeobotany). In this study, a new and standard method for the determination of bile acids and steroidal hormones that incorporates microwave extraction-liquid chromatography-mass spectrometry was used. This method has been applied successfully to analyse Neolithic fumier deposit facies from the El Mirador cave, a location that was used as a prehistoric sheepfold and is located in the Atapuerca range (Burgos, Spain). The results obtained demonstrated that the analysis of bile acids can be useful for the identification of remains of ruminant residues in the facies studied. In addition, the progesterone/deoxycholic acid ratio has been used as a possible biomarker to improve our understanding of flock management, including the separation of pregnant and nursing ewes from the rest of the herd to avoid the rejection of the lamb and keep them safe and healthy.The authors thank the technical and human support provided by the Alava Central Service of Analysis of SGIker (UPV/EHU, MINECO, GV/ EJ, ERDF, and ESF) and Paula Rivero for the elaboration of the graphical abstract. Patricia Martín is grateful for her postdoctoral fellowship to Juan de la Cierva Subprogramme (FJCI-2016-29045) with financial sponsorship from the Spanish Ministry of Economy, Industry, and Competitiveness and for her recent "Maria de Maeztu" excellenceaccreditation from the Spanish Minstry of Science and Innovation (CEX2019-000945-M), and to Ane Gorostizu-Orkaiztegi for her pre- doctoral fellowships to the University of the Basque Country. This work was funded by the Department of Industry, Innovation, Commerce, and Tourism of the Basque Government (SAI12/25 Project), the Spanish Ministry of Science, Innovation and University (PGC 2018-093925-B- C32 project) and by the Basque Government, Research Groups of the Basque University System (Project No. IT925-16)

SU-8 microprobes for biomedical applications

152 p. : il.[ES]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

Microagujas de SU-8 para la monitorización y la estimulación neuronal

Microaguja de SU-8 para la monitorización y estimulación neuronal de espesor inferior a 100 micrómetros y largura desde 50 micras hasta los 10 centímetros, cuyo procedimiento de fabricación permite extraer la microaguja del sustrato sin utilizar medios mecánicos gracias al recubrimiento inicial de un sustrato rígido con una capa de aluminio, como capa sacrificial, y el ataque químico final de la capa de Aluminio para la extracción química de la microaguja obtenida en etapas intermedias conocidas de fabricación por fotolitografía.Peer reviewedConsejo Superior de Investigaciones Científicas (España), KERLAN S COOPA1 Solicitud de patentes con informe sobre el estado de la técnic

SU-8 based microprobes with integrated planar electrodes for enhanced neural depth recording

Here, we describe new fabrication methods aimed to integrate planar tetrode-like electrodes into a polymer SU-8 based microprobe for neuronal recording applications. New concepts on the fabrication sequences are introduced in order to eliminate the typical electrode-tissue gap associated to the passivation layer. Optimization of the photolithography technique and high step coverage of the sputtering process have been critical steps in this new fabrication process. Impedance characterization confirmed the viability of the electrodes for reliable neuronal recordings with values comparable to commercial probes. Furthermore, a homogeneous sensing behavior was obtained in all the electrodes of each probe. Finally, . in vivo action potential and local field potential recordings were successfully obtained from the rat dorsal hippocampus. Peak-to-peak amplitude of action potentials ranged from noise level to up to 400-500. μV. Moreover, action potentials of different amplitudes and shapes were recorded from all the four recording sites, suggesting improved capability of the tetrode to distinguish from different neuronal sources. © 2012 Elsevier B.V.This was supported by the Basque Government under the Etortek-Microsystems program, the ERANET-Neuron project EPINet (EUI2009-04093) and SAF2009-14724-C02-02 from the Spanish Ministry of Science and Innovation and the European Regional Development Fund.Peer Reviewe

SU-8 based microprobes for simultaneous neural depth recording and drug delivery in the brain

While novel influential concepts in neuroscience bring the focus to local activities generated within a few tens of cubic micrometers in the brain, we are still devoid of appropriate tools to record and manipulate pharmacologically neuronal activity at this fine scale. Here we designed, fabricated and encapsulated microprobes for simultaneous depth recording and drug delivery using exclusively the polymer SU-8 as structural material. A tetrode- and linear-like electrode patterning was combined for the first time with single and double fluidic microchannels for independent drug delivery. The device was tested experimentally using the in vivo anesthetized rat preparation. Both probe types successfully recorded detailed spatiotemporal features of local field potentials and single-cell activity at a resolution never attained before with integrated fluidic probes. Drug delivery was achieved with high spatial and temporal precision in a range from tens of nanoliters to a few microliters, as confirmed histologically. These technological advancements will foster a wide range of neural applications aimed at simultaneous monitoring of brain activity and delivery at a very precise micrometer scale. This journal is © 2013 The Royal Society of Chemistry.Peer Reviewe