Suspended Micro/nanogenerators for cell stimulation

Abstract

Our bodies are complex machines whose functioning depends on multiple electrical signals controlled mainly by the nervous system. Afterwards, it is not illogical to think that one day artificial electrical impulses would replace those signals offering supports of medical treatments. Nowadays electrical stimulation is used in many therapeutic applications to modulate cellular activity, restore biological lost functions or even improve the performance of certain tissues. However, these systems still carry side effects link to the surgical interventions to place them or place their electrodes, their inherent bulkiness or lack in specificity to target only the cells involved in the condition to treat. The future to transcend these constrains would be possible in the extent that technology ease the path to improve precision, autonomy and miniaturization of the actual therapeutic tools. In this context, micro- and nanogenerators play a key role as self-powered devices with high spatial resolution and acute cell specificity.

This thesis aims to provide micro/nanogenerators to stimulate single cells in its own liquid media. This work explored two technological branches based on photovoltaic and on magnetoelastic (piezoelectric/magnetostrictive) devices to harvest energy. Their fabrication was accomplished through semiconductors microfabrication technologies and their performance was characterized through several tests to ensure their correct power generation. As these devices were intended to interface biological media, direct cytotoxicity studies were conducted to guarantee their safety. Both branches were biologically validated with in vitro models of excitable cells (embryonic mouse neurons and human osteoblast- like cells) analyzing the electrostimulation effects through morphological changes and through instantaneous ionic responses as calcium signaling. The results gathered in this research demonstrated the feasibility of these micro- and nanogenerators as self-powered electrical stimulators. Furthermore, their reduce size and capability to be suspended in liquid media open the door to further developments towards injected or ingested minimally invasive medical tools.

Nuestros cuerpos son máquinas complejas cuyo funcionamiento depende de múltiples señales eléctricas controladas principalmente por el sistema nervioso. Así pues, no es ilógico pensar que un día los impulsos eléctricos artificiales reemplazarían aquellas señales dando soporte a los tratamientos médicos. En la actualidad, la estimulación eléctrica se utiliza en muchas aplicaciones terapéuticas para modular la actividad celular, restaurar funciones biológicas perdidas o incluso mejorar el rendimiento de ciertos tejidos. Sin embargo, estos sistemas aún presentan efectos secundarios ligados a las intervenciones quirúrgicas para colocarlos o colocar sus electrodos, a su volumen intrínseco o a la falta de especificidad para solo focalizar su actividad sobre las células involucradas en la enfermedad a tratar. El futuro para trascender estas limitaciones será posible en la medida en que la tecnología facilite el camino para mejorar la precisión, la autonomía y la miniaturización de las actuales herramientas terapéuticas. En este contexto, los micro/nanogeneradores juegan un papel clave como dispositivos autoalimentados con alta resolución especial y especificidad celular fina. Esta tesis pretende proporcionar micro/nanogeneradores de energía para estimular eléctricamente células individuales en su propio medio líquido. Este trabajo exploró dos ramas tecnológicas basadas en dispositivos fotovoltaicos y magnetoelásticos (piezoeléctricos / magnetoestrictivos) para transducir energía. Su fabricación se llevó a cabo a través de tecnologías de microfabricación de semiconductores y su rendimiento se caracterizó a través de varias pruebas para garantizar su correcta generación de energía. Como estos dispositivos estaban destinados a interconectar medios biológicos, se realizaron estudios de citotoxicidad directa para garantizar su seguridad. Ambas ramas se validaron biológicamente con modelos in vitro de células excitables (neuronas embrionarias de ratón y células de tipo óseo humanas) analizando los efectos de la electroestimulación a través de cambios morfológicos y a través de respuestas iónicas instantáneas como la señalización de calcio. Los resultados reunidos en esta investigación demostraron la viabilidad de estos micro/nanogeneradores como estimuladores eléctricos autoalimentados. Además, su reducido tamaño y la capacidad de estar en suspensión en medios líquidos abren la puerta a nuevos desarrollos hacia herramientas médicas mínimamente invasivas inyectadas o ingeridas.