Materiales electroactivos poliméricos e híbridos como sustrato de crecimiento neuronal

Abstract

Els polímers conductors han destacat en els últims anys per ser materials electroactius amb aplicacions en una gran varietat de camps. Entre ells estan el dels dispositius electrònics orgànics, les bateries, els sensors i actuadors i els condensadors. Dos d’ells, el polipirrol i el Poli(3,4-etilendioxitiofè) (PEDOT), destaquen per la seva biocompatibilitat i les seves propietats prometedores com a biomaterials, en especial com a bioelectrodes. El seu baix potencial de superficie (no requereixen l’aplicació de grans potencials per ésser modificats), la seva alta estabilitat ambiental, la seva flexibilitat física i la seva conductivitat mixta iónica-electrònica, fan d’ells candidats excel·lents per al camp de l’enginyeria de teixits, en especial com a substrats de creixement neuronal. L’electroactivitat és, no obstant, la característica crucial que podria fer d’ells materials importants per a la seva aplicació com a electrodes en dispositius protèsics neuronals i en electroestimulació funcional, on la conductivitat i la capacitat d’enmagatzematge de càrrega són essencials. La possibilitat de modular l’estat d’oxidació del material inicial mitjançant la intercalació d’ions presents al medi biològic, i per tant el seu potencial d’actuació podría ajudar a regular el seu efecte en l’adhesió, viabilitat i creixement neuronal. A més, el fet de poder intercalar anions durant la seva síntesi, els quals entraran a formar part de l’estructura del polímer permet obtener un tipus de material amb característiques diferents segons el contraió utilitzat. Així doncs, poden formar part del polímer biomolècules beneficioses per al funcionament neuronal, o bé altre tipus de compostos que puguin augmentar la capacitat de càrrega del material, l’adhesió, o millorar altres característiques del material. La possibilitat de formar híbrids de polímers conductors amb altres materials permet unir les propietats d’aquestos, i a més crear nous materials amb les noves propietats nascudes de la sinèrgia establerta. En aquest treball es van sintetitzar capes primes de PPy i PEDOT amb anions de diversos tamanys, entre ells molècules que garantitzaran l’intercanvi catiònic dels materials durant la modulació electroquímica com són els surfactants. Posteriorment es va assajar la síntesi de capes primes amb biomolècules per a identificar posibles millores en termes de cultius cel·lulars gràcies a la incorporació d’aquestes espècies. Finalment es va estudiar la interacció dels polímers amb diversos compostos d’iridi mitjançant la formació d’híbrids d’ambdós materials en forma de capa i pols. Tots els materials sintetitzats es van caracteritzar en profunditat estructuralment, mitjançant tècniques com ara el ATR i el XPS; microestructuralment amb tècniques com ara el AFM i l’angle de contacte; i elèctrica i electroquímicament amb voltametries cícliques, microbalança electroquímica de quars i espectroscopia d’impedància. També es va estudiar el comportament dels materials com a substrat de creixement neuronal mitjançant cultius de neurones corticals d’embrions de ratolí, el que es va intentar relacionar amb les característiques físico-químiques trobades.

Los polímeros conductores han destacado en los últimos años por ser materiales electroactivos con aplicaciones en una gran variedad de campos. Entre ellos están el de los dispositivos electrónicos orgánicos, las baterías, los sensores y actuadores y los condensadores. Dos de ellos, el polipirrol (PPy) y el Poli(3,4-etilendioxitiofeno) (PEDOT), destacan por su biocompatibilidad y sus prometedoras propiedades como biomateriales, en especial como bioelectrodos. Su bajo potencial electroquímico de superficie (no requieren aplicación de altos potenciales para ser modificados), su alta estabilidad ambiental, su flexibilidad física y su conductividad mixta iónica-electrónica, hacen de ellos excelentes candidatos para el campo de la ingeniería de tejidos, en especial como sustratos de crecimiento neuronal. La electroactividad es, no obstante, la característica crucial que podría hacer de ellos materiales importantes para su aplicación como electrodos en dispositivos protésicos neuronales y en electroestimulación funcional, donde la conductividad y la capacidad de almacenamiento de carga son esenciales. La posibilidad de modular el estado de oxidación del material de partida mediante la intercalación de iones presentes en el medio biológico, y por tanto su potencial de actuación podría ayudar a regular su efecto en la adhesión, viabilidad y crecimiento neuronal. Además el hecho de poder intercalar aniones durante su síntesis, los cuales formarán parte de la estructura del polímero, permite obtener un tipo de material con características diferentes según el contraión usado. Así pues, pueden formar parte del polímero biomoléculas beneficiosas para el funcionamiento neuronal, o bien otro tipo de compuestos que pueden aumentar la capacidad de carga del material, la adhesión, o mejorar otras características del material. La posibilidad de formar híbridos de polímeros conductores con otros materiales permite aunar las propiedades de estos, y además crear nuevos materiales con nuevas propiedades nacidas de la sinergia establecida. En este trabajo se sintetizaron capas finas de PPy y PEDOT, con aniones de diversos tamaños, entre ellos grandes moléculas que garantizaran el intercambio catiónico de los materiales durante la modulación electroquímica como son los surfactantes. Posteriormente se ensayó la síntesis de capas finas de polímeros con biómoleculas para identificar posibles mejoras en términos de cultivos celulares gracias a la incorporación de estas especies. Finalmente se estudió la interacción de los polímeros con diversos compuestos de iridio a través de la formación de híbridos de ambos materiales en forma de capa y de polvo. Todos los materiales sintetizados se caracterizaron con profundidad estructuralmente, a través de técnicas como el ATR y el XPS; microestructuralmente con técnicas como el AFM y el ángulo de contacto; y eléctrica y electroquímicamente mediante voltametrías cíclicas, microbalanza electroquímica de cuarzo y espectroscopía de impedancia. También se estudió el comportamiento de los materiales como sustrato de crecimiento neuronal a través de cultivos de neuronas corticales de embriones de ratón, lo cual se intentó relacionar con las características físico-químicas encontradas.

Much attention has been focused on conductive polymers in recent years for being electroactive materials with applications in a great variety of fields such as organic electronic devices, batteries, sensors and actuators and capacitors. Two of them, polypyrrole (PPy) and poly (3,4-ethylenedioxythiphene) (PEDOT) stand out due to their biocompatibility and their promising properties as biomaterials, especially as bioelectrodes. Their low surface electrochemical potential (they do not need the application of high potentials to be modified), their high environmental stability, their physical flexibility and their mixed ionic-electronic conductivity, makes them excellent candidates for the field of tissue engineering, especially as substrates for neural growth. Their electroactivity is the crucial point that could make of them important materials in neural prosthetic devices and functional electrostimulation, where conductivity and charge capacity storage are crucial. The possibility of modulating the starting material oxidation state by electrochemical intercalation of ions present in biological media and therefore its acting potential may help modulate its effect on neural adhesion, viability and growth. Moreover, being able to intercalate anions during their synthesis, which will form part of the polymer structure, allows us to obtain a material with different characteristics depending on the counterion used. Thus, it is possible to have a polymer containing beneficial biomolecules for neurons to function, as well as other compounds that can increase the charge capacity of the material, improve the adhesion, and other material features. The possibility of forming hybrid materials consisting of conducting polymers and other compounds allows us to combine the properties of both, and also to create new materials with novel properties arising from the synergy established. In this work, thin layers of PPy and PEDOT were synthesized with anions of different sizes, among them large molecules such as surfactants, which would guarantee the cation exchange of the materials during electrochemical modulation. Subsequently, the synthesis of thin films with biomolecules was performed to identify possible improvements in terms of cell cultures with the addition of these species. Finally, the interaction of the polymers with various compounds of iridium was studied through the formation of hybrids of both materials. All synthesized materials were characterized structurally in depth, through techniques such as ATR and XPS; microstructurally with techniques such as AFM and contact angle, and electrically and electrochemically with cyclic voltammetries, quartz electrochemical microbalance and impedance spectroscopy. The behavior of these materials as substrates for neuronal growth through mice embryos cortical neuron cultures was studied as well, and these results were correlated with the physico-chemical features found.