Tese de Doutoramento em Engenharia Biomédica.Neural electrodes are a valuable tool that allows neuroscientists to monitor the neural
activity of the brain with great spatial and temporal resolution. Micro and nanotechnology has
allowed the development of high-density neural electrode arrays.
In the present work, two different materials were used to perform neural arrays, namely
silicon and aluminum. The main objective was the ability to reach areas of the brain between
2 mm and 4 mm deep due to its importance in small animal models such as the rat. In such
animals, important brain structures such as the hippocampus are situated in this range of depth.
Another key objective was the fabrication of probes with high-aspect-ratio in order to minimize
tissue displacement and consequent adverse reactions caused by implantation.
Four different prototypes each using a specific fabrication approach, were performed and
described in detail. Two of these prototypes were performed with aluminum while the other two
were performed with silicon. Standard microfabrication processes such as dicing, wet-etching,
physical vapor deposition, and non-standard processes such as thermomigration, aluminum
anodizing, polymer casting, and sanding were used. The combination of these standard and nonstandard
processes allowed a simpler and cheaper fabrication approach when compared with
commercially available arrays.
The first aluminum prototype was composed by 100 micropillars with a gold electrode at
each tip. The aluminum micropillars were encapsulated by aluminum oxide and were 3 mm long
with an aspect-ratio of 12:1. The second version was composed by 25 micropillars encapsulated
with medical grade epoxy each with a platinum electrode at the tip. Each micropillar was 3 mm
long with an aspect-ratio of 19:1. The first silicon prototype was composed by 100 silicon
micropillars, each 3 mm long with an aspect-ratio of 5:1. The second version was composed by
36 silicon micropillars encapsulated with medical grade epoxy, each with a platinum electrode at
the tip. Each micropillar was 4 mm long with an aspect-ratio of 22:1. A slanted version of the
second prototype was also fabricated, allowing progressively increasing penetration depths.
Mechanical characterization was performed by implantation in agar gel and porcine
cadaver brain while electrical characterization was performed by electrochemical impedance
tests as well as cyclic voltammetry.
Overall, aluminum showed to be a suitable alternative to silicon in terms of structural
material. Also, a dicing based approach proved to be a cost-effective method able to perform
high-aspect-ratio neural arrays.Os elétrodos neuronais são uma ferramenta que proporciona aos neurocientistas a
capacidade de monitorizar a atividade neuronal do cérebro com uma grande resolução temporal e
espacial. As micro e nanotecnologias proporcionaram o desenvolvimento de matrizes de
elétrodos neuronais com alta densidade.
No presente trabalho dois materiais foram usados para fabricar matrizes de elétrodos
neuronais, nomeadamente o silício e o alumínio. O objetivo principal foi a capacidade de chegar
a zonas do cérebro entre os 2 mm e 4 mm de profundidade devido a sua importância em modelos
animais de pequeno porte como o rato. Nestes animais, estruturas cerebrais importantes como o
hipocampo estão situadas nesta gama de profundidades. Outro objetivo chave foi o fabrico de
elétrodos com alta razão de aspeto, de forma a minimizar a compressão de tecido neuronal e
consequentes reações adversas causadas pela implantação.
Quatro protótipos, cada um utilizando um tipo de fabrico específico foram desenvolvidos
e descritos em detalhe. Dois desses protótipos foram fabricados com alumínio, enquanto os
outros dois foram feitos em silício. Foram usados processos de microfabrico standard como
corte com disco, corrosão química, deposição de filmes finos, e também processos não standard
como termomigração, anodização do alumínio, molde de polímeros e lixamento. A combinação
de processos standard e não standard permitiram uma abordagem de fabrico mais simples e
barata quando comparada com a abordagem utilizada em elétrodos comercialmente disponíveis.
O primeiro protótipo de alumínio foi composto por 100 micropilares com um elétrodo de
ouro na ponta. Os micropilares de alumínio foram encapsulados com óxido de alumínio e tinham
3 mm de comprimento resultando numa razão de aspeto de 12:1. A segunda versão foi composta
por 25 micropilares encapsulados com epóxi biocompatível, cada com um elétrodo de platina na
ponta. Cada micropillar tinha 3 mm de comprimento com uma razão de aspeto de 5:1. O
primeiro protótipo de silício foi composto por 100 micropilares de silício, cada com 3 mm de
comprimento e com razão de aspeto de 5:1. A segunda versão foi composta por 36 micropilares
de silício encapsulados com epóxi biocompatível e cada com um elétrodo de platina na ponta.
Cada micropillar tinha 4 mm de comprimento resultando numa razão de aspeto de 22:1. Uma
versão inclinada do segundo protótipo também foi fabricada, permitindo profundidades de
penetração progressivas.
A caracterização mecânica foi feita através de implantações em gelatina de agar e em
cérebro de porco, enquanto a caracterização elétrica foi feita através de testes de impedância
eletroquímica assim como testes de voltametria cíclica.
No geral, o alumínio demonstrou ser uma alternativa viável ao silício em termos de
material estrutural. A abordagem baseada no corte com disco provou ser um método económico
capaz de realizar matrizes de elétrodos neuronais de grande razão de aspeto.Portuguese Foundation for Science and Technology (FCT) (SFRH/BD/89509/2012)