Obtención y caracterización de materiales electroactivos para soporte de crecimiento neuronal

• Autores: Ana Milena Cruz Rodríguez
• Directores de la Tesis: José Peral Pérez (dir. tes.), Nieves Casañ-Pastor (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat Autònoma de Barcelona ( España ) en 2010
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Eduardo Rodríguez Farré (presid.), Iluminada Gallardo García (secret.), Pedro Gómez Romero (voc.)
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología de materiales
      • Propiedades de materiales
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en:  TDX  DDD 
• Resumen

  • Algunos óxidos electroactivos pueden ser conductores iónicos mixtos (conductividad iónica-electrónica) con una química de oxido-reducción que involucra procesos con reacciones de intercalación/desintercalación en estructuras abiertas o con vacantes. Estos materiales pueden presentar propiedades físicas relacionadas con los cambios en los estados de oxidación de los elementos involucrados en la estructura de óxido. Algunos de estos óxidos muestran comportamientos biocompatibles, lo que los convierte en materiales ideales para ser usados como electrodos en sistemas biológicos si se combina esta biocompatibilidad con su electroactividad. En el presente trabajo de investigación han sido obtenidas capas finas de TiO2, IrOx y un óxido mixto de los dos componentes anteriores para ser aplicados como substratos para crecimiento neuronal. Una vez sintetizadas, las capas de los tres materiales en estudio fueron caracterizadas estructuralmente mediante GIXRD, Reflectometría de Rayos X, XPS, XAS, Espectroscopía Raman y ATR. La microestructura fue evaluada mediante las técnicas de AFM, SEM y la medida del ángulo de contacto. Posteriormente se realizó una caracterización electroquímica y una evaluación de las propiedades de transporte mediante CV, IS y ECQM y por último se evaluó el posible uso de estos materiales como substratos para el crecimiento neuronal mediante cultivos de células neuronales obtenidas del córtex cerebral de embriones de rata E14 y E18 Wistar. Las capas de TiO2 fueron obtenidas por sol - gel y depositadas por spin coating en substratos de Indium Tin Oxide y cuarzo y se trataron térmicamente a temperaturas de 250oC, 350oC y 450oC en el caso de las muestras depositadas sobre ITO y 350oC, 450oC, 500oC y 600oC en el caso de las muestras depositadas sobre cuarzo. Los estudios de XPS revelan que TiO2 obtenido a 450oC o a largos tiempos de tratamiento térmico contiene cantidades pequeñas, pero significativas en la superficie, de Na+ proveniente del vidrio puede afectar algunas aplicaciones. Las muestras tratadas a 250oc y 350oC son amorfas mientras que las tratadas a 450oC presentaron una estructura anatasa con una microestructura nanoestructurada y homogénea. Las capas de TiO2 obtenidas fueron aislantes y no pasivan el paso de corriente de un substrato conductor y su ventana de acción electroquímica es de -0.7 V a 0.5 V. Los cultivos neuronales muestran que hay crecimiento neuronal sobre las capas obtenidas de TiO2 aunque con inhibición del desarrollo de dendritas que parece estar motivado por la química del material más que por su microestructura. Las capas de IrOx fueron obtenidas por deposición electroquímica a corriente constante (35 μA/cm2) y a potencial dinámico (0.55V, 10mV/s) con 17, 25, 50 y 100 ciclos. La estructura resultante fue amorfa o quasi-amorfa con una estructura local tipo rutilo que permite la inserción de H+ o K+ y con grados de homogeneidad variable. La caracterización electroquímica y eléctrica muestran que el IrOx obtenido es un conductor electro-iónico (mixto) con capacidad de sufrir cambios en el estado de oxidación del Ir, e intercalación simultánea de protones en forma hidratada, con facilidad. Los resultados obtenidos por ECQM muestran que el proceso de formación electroquímica del IrOx consume 4.2 e-/Ir y por tanto involucra un proceso adicional a la oxidación del Ir(III) precursor. Los cultivos celulares sobre IrOx lo muestran como el mejor substrato probado con diferencias significativas con respecto al TiO2. El crecimiento de dendritas no parece estar inhibido ya que la supervivencia neural es muy alta, equivalente a la referencia. Las capas del óxido mixto (Ir-Ti)Ox fueron obtenidas por spin coating en substratos de Pt/cuarzo partiendo de disoluciones de Ti (donde el Ti está en forma de isopropóxido) e Ir (donde el Ir está como cloruro). Las capas depositadas se trataron térmicamente a temperaturas de 600oCy 650oC. Los resultados de GIXRD muestran que las capas del óxido mixto son más cristalinas que los óxidos simples con tres fases presentes: TiO2 anatasa y rutilo e IrOx rutilo. Además diferencias en la intensidad de los picos con la variación del ángulo de incidencia hacen pensar que el material puede ser un compuesto estratificado con IrOx localizado en mayor proporción en la superficie. Las capas presentan una microestructura homogénea menos rugosa y más hidrofílica que en el caso de los óxidos simples. Los cultivos neuronales muestran una buena adhesión de las neuronas a las capas del óxido mixto y es evidente que la supervivencia celular mejora incrementando la cantidad de iridio. Al evaluar los tres materiales en términos de supervivencia y desarrollo neuronal se puede afirmar que el iridio tiene un papel determinante en la aplicación de dichos materiales como posibles substratos para crecimiento celular y electroestimulación. Además las capas de IrOx se muestran como la mejor opción para ser utilizadas como soporte neuronal.