Matriz de microelectrodos estirables (sMEA) ⇐ Proyectos de artículos

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==Descripción general==

Al igual que los MEA tradicionales, los MEA extensibles constan de unos miles de microelectrodos que permiten registrar o estimular señales eléctricas de las células (neuronas, músculos, etc.) y se utilizan in vivo en un ser vivo o in vitro con cultivos celulares.

==Teoría==

==='''Innovación material'''===
* '''Rellenos electrónicos''': Este es el enfoque más antiguo para hacer que un material elastomérico sea elásticamente estirable. En principio, son materiales rígidos y conductores de electricidad que se mezclan con un polímero elastomérico antes del curado para crear compuestos estirables. Si la concentración del relleno eléctricamente conductor es suficientemente alta, se forma una red de percolación en forma de malla que facilita el libre movimiento de los portadores de carga (iones, electrones) a través de las uniones de contacto. La concentración mínima del material de relleno electrónico que se requiere para crear vías conductoras para el transporte de portadores de carga a través del elastómero Kyrylyuk, A. V. y P. van der Schoot. "Proc. Natl. Acad. Sci. EE.UU." Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América, vol. 105, 2008, pág. 8221. se llama umbral de percolación."Umbral de percolación". ScienceDirect, Elsevier, www.sciencedirect.com/topics/engineerin ... -threshold. Consultado el 10 de noviembre de 2024. El umbral de percolación generalmente se indica como porcentaje en peso (% en peso) o porcentaje en volumen (% en volumen) del material de relleno, y varía desde menos del 1% en peso para nanotubos de carbono con una relación de aspecto alta hasta más 15% en peso. Los tipos de materiales de relleno varían desde metales en forma de polvo o nanocables, carbono como grafito o nanotubos, hasta polímeros conductores de electricidad.
* ''''Nanocables y nanocintas onduladas'': La formación espontánea de patrones ondulados de hebillas alineadas que es causada por la deposición de una fina película de oro en la superficie del elastómero PDMS fue descrita por primera vez por el grupo de George Whitesides. en la Universidad de Harvard en 2000.Huck, Wilhelm T. S., et al. "Ordenado de hebillas formadas espontáneamente en superficies planas". Langmuir, vol. 16, núm. 7, 2000, págs. 3497-3501. El oro se depositó en PDMS calentado (100 °C) y, tras el enfriamiento y la contracción térmica asociada del elastómero, la película de oro sufre una tensión de compresión que se alivia. creando hebillas. En los años siguientes, el grupo de John Rogers de la Universidad de Urbana Champaign (ahora en la Universidad Northwestern) desarrolló la tecnología para unir cintas de silicio muy delgadas a una membrana PDMS preestirada. Tras la relajación del estiramiento, la tensión mecánica de compresión en las cintas de silicio se alivia creando hebillas onduladas en el PDMS. Como el silicio es un material frágil, las cintas deben ser muy delgadas (aproximadamente 100 nm) para permanecer intactas durante el pandeo.Kim, Dae-Hyeong y John A. Rogers. "Electrónica estirable: estrategias y dispositivos de materiales". Materiales avanzados, vol. 20, núm. 24, 2008, págs. 4887-4892.
* '''Metales líquidos''': un metal o aleación que es líquido a temperatura ambiente puede encerrarse en PDMS y usarse como conductor estirable. El mercurio es el único metal puro que es líquido a temperatura ambiente pero tiene una aplicación limitada debido a su neurotoxicidad. El cesio se funde a 28,5°C, pero reacciona violentamente cuando se expone al aire y, por tanto, no es adecuado para esta aplicación. Por ello, la mayoría de los investigadores utilizan una mezcla eutéctica de indio y galio, llamada EGaIn, que tiene un punto de fusión de 15,7°C y está compuesta por un 75,5% de galio y un 24,5% de indio. Una mezcla eutéctica de Ga (68,5%), In (21,5%) y Sn (10,0%), también conocida como Galinstan, es otra opción popular y tiene un punto de fusión de 10,5°C.
* '''Película fina de oro microfisurada''': cuando se deposita una fina película de oro en PDMS bajo ciertas condicionesCircuitos integrados de silicio estirables y plegables." Publicaciones ACS, American Chemical Society, pubs.acs.org/doi/ abs/10.1021/am1002537. Consultado el 10 de noviembre de 2024., la película de oro adopta una morfología microfisuradaLacour, Stéphanie P., et al. "Mechanisms of Reversible Stretchability of Thin Metal Films on Elastomeric Substrates". Applied Physics Letters, vol. 88, no. 20, 2006, p. 204103. lo que hace que el oro sea estirable. La deformación máxima de la película disminuye con la longitud y aumenta con el ancho del conductor. Graudejus, O., et al. "Deformación de ruptura dependiente del tamaño de conductores metálicos elásticamente estirables". artículo/abs/pii/S1359646212001364. Consultado el 10 de noviembre. 2024.

==='''Diseño Estructural'''===
* '''Patrones geométricos, patrones fractales''': Las trazas de metal se depositan en patrones específicos, como formas serpenteantes o serpenteantes, dentro de un sustrato elastomérico estirable para adaptarse a la tensión. La estructura resultante es similar a un resorte bidimensional. La Universidad de Gante y el IMEC en Bélgica han sido pioneros en el uso de estructuras metálicas en forma de meandro.Gonzalez, Mario, et al. "Diseño e Implementación de Sistemas Flexibles y Estirables". Fiabilidad de la microelectrónica, vol. 51, núm. 6, 2011, págs. 1069-1076.

** El grupo de John Rogers aumentó la tensión máxima en los dispositivos creados mediante este enfoque utilizando estructuras basadas en fractales. Estos patrones fractales se caracterizan por la autosimilitud, es decir, pequeñas secciones de la estructura producen piezas con geometrías que se asemejan a toda la estructura.
**Estos patrones fractales incluyen (i) líneas de Koch, Peano y Hilbert, (ii) bucles de Moore, Vicsek y (iii) cruces griegas.Fan, Jonathan A., et al. "Conceptos de diseño fractal para electrónica estirable". Comunicaciones de la naturaleza, vol. 5, 2014, pág. 3266.

* '''Estructuras inspiradas en origami y cortes de kirigami''': Los materiales intrínsecamente rígidos o flexibles inelásticos se pueden convertir en materiales estirables aplicando la tecnología del origamiChen, Xingru, et al. "Sensor de humedad estirable basado en papel de origami para dispositivos electrónicos portátiles acoplables a textiles". Interfaces y materiales aplicados ACS, vol. 14, núm. 32, 2022, págs. 36227-36237.
y cortes de kirigami.Xu, Renxiao, et al. "Parches de microsupercondensadores altamente elásticos inspirados en Kirigami fabricados mediante conversión y corte por láser". Microsistemas y nanoingeniería, vol. 4, 2018, artículo 36. 

==Historia==

En los años siguientes, la cantidad de artículos de investigación que describen diferentes enfoques para fabricar sMEA y su uso para investigaciones in vitro e in vivo ha aumentado enormemente.

==Tipos y capacidades==
Las matrices de microelectrodos estirables (sMEA) se pueden clasificar según se utilicen con células o cortes de tejido en una placa (in vitro) o si se implantan en un animal o en un ser humano (in vivo).

===AAM extensibles in vitro===
Los sMEA se utilizan in vitro para registrar y estimular la actividad electrofisiológica en células disociadas, cortes de tejido u organoides. El uso in vitro de sMEA puede incluir el estiramiento de las células. Las células se obtienen de un animal o se derivan de células madre pluripotentes inducidas por humanos (hiPSC).

El factor de forma de los sMEA suele ser similar al de los MEA rígidos porque se pueden utilizar los mismos sistemas de adquisición de datos para ambos tipos de MEA. Las principales diferencias entre los AME y los AMA rígidos se resumen a continuación:
* '''Número de microelectrodos''': los sMEA suelen tener 60 microelectrodos o menos, mientras que los MEA rígidos tienen 60 electrodos en la configuración estándar, pero pueden tener varios miles de electrodos en dispositivos CMOS.
* '''Diámetro de los sitios de grabación''': el diámetro del sitio de grabación suele ser de 50 a 100 μm para sMEA y de 10 a 30 μm para MEA de vidrio, pero puede ser inferior a 10 μm en MEA CMOS.
* '''Espaciado entre microelectrodos''': el espacio entre microelectrodos (de centro a centro) suele ser mayor que 300 μm para sMEA y 200 μm para MEA de vidrio. pero puede ser inferior a 20 μm en CMOS MEA.

La razón de estas diferencias es que los sMEA se fabrican utilizando materiales elastoméricos blandos como PDMS como sustrato y encapsulación, que tienen un coeficiente de expansión térmica mucho mayor y un módulo de Young más bajo que los MEA rígidos construidos sobre sustratos de vidrio, plástico o silicio (CMOS). . Estas propiedades hacen que sea más difícil alinear y unir elementos pequeños. Además, la tensión máxima que los electrodos pueden tolerar disminuye para los electrodos más estrechos, por lo que los cables de los electrodos suelen ser anchos, lo que limita el número de electrodos.Graudejus, O., et al. "Deformación de ruptura dependiente del tamaño de conductores metálicos elásticamente estirables". Scripta Materialia, vol. 66, núm. 11, 2012, págs. 919-922. Los MEA para aplicaciones in vitro solo están disponibles comercialmente en BioMedical Elastic Electronic Devices.BMSEED. "Biomecánica, Imagenología y Electrofisiología Integradas". BMSEED, www.bmseed.com. Consultado el 10 de noviembre de 2024.

====Ventajas====
Existen varios beneficios al utilizar MEA blandos y estirables en lugar de los tradicionales MEA rígidos o simplemente flexibles. Con los MEA tradicionales, las células se cultivan sobre un material de sustrato rígido como vidrio o plástico. Este entorno es muy diferente del entorno natural de las células del cuerpo, lo que hace que las células se comporten de manera diferente in vitro que en su entorno natural in vivo. Este es un problema importante para el uso de AAM rígidos para la investigación preclínica porque el objetivo de la investigación preclínica es predecir los resultados del tratamiento en humanos.
Las ventajas de utilizar sMEA para la investigación preclínica son dos. En primer lugar, la rigidez del sustrato sobre el que crecen las células coincide más con la rigidez del entorno celular del cuerpo. En segundo lugar, los sMEA permiten la aplicación de señales biomecánicas a las células, que afectan la función y el comportamiento celular. Ambas ventajas reducen el desajuste del entorno de las células in vitro y en el cuerpo humano, es decir, las células se comportan de manera más similar in vitro que in vivo, lo que mejora el valor de la investigación preclínica para predecir resultados clínicos y, por lo tanto, potencialmente reduciendo la tasa de fracaso de los ensayos clínicos (ahora >95%).

====Desventaja====
La principal desventaja de los sMEA frente a los MEA rígidos está relacionada con las diferentes tecnologías que se utilizan para fabricar estos dispositivos. Los sMEA suelen tener hasta 60 electrodos con diámetros de entre 50 μm y 100 μm, mientras que los MEA rígidos basados ​​en CMOS Una interfaz celular-electrónica para el acceso profundo a organoides y tejidos". 3Brain, www.3brain.com. Consultado el 10 de noviembre de 2024. puede tener miles de electrodos con diámetros de 10μm. Esto significa que los sMEA son. no apto para estudiar estructuras subcelulares.

===AAM extensibles in vivo===
, la médula espinal Meacham, Kathleen W., et al. "Una matriz elástica de electrodos múltiples con diseño litográfico para la estimulación superficial de la médula espinal". Microdispositivos biomédicos, vol. 10, núm. 2, 2008, págs. 259-269. Enlace Springer, link.springer.com/article/10.1007/s10544-007-9132-9. Consultado el 10 de noviembre de 2024., algunos implican solo la estimulación de la actividad electrofisiológica y otros tanto Rowan, Cami C., et al. "Una interfaz de nervios periféricos con microclip (μcPNI) para interfaz bioelectrónica con nervios pequeños". Ciencia avanzada, vol. 8, núm. 24, 2021, pág. 2102945. Biblioteca en línea de Wiley, onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202102945. Consultado el 10 de noviembre de 2024..

====Ventajas====
Los principales beneficios del uso de sMEA para aplicaciones in vivo son dos. En primer lugar, pueden adaptarse a las superficies dinámicas y a menudo curvas de los tejidos biológicos. En segundo lugar, los sMEA provocan una reacción de cuerpo extraño significativamente menor que los MEA rígidos debido a la menor falta de coincidencia en las propiedades mecánicas (rigidez) entre el implante y el tejido.

====Desventaja====
La principal desventaja de los sMEA para aplicaciones implantadas es la robustez mecánica en comparación con los MEA rígidos, que pueden provocar que el implante se rompa o se desgarre.

==Aplicaciones==
===Interfaces neuronales===
En las interfaces neuronales, los sMEA se utilizan para registrar y estimular la actividad neuronal. Su capacidad de estiramiento les permite adaptarse a la superficie del cerebro o penetrar el tejido neural sin causar daños significativos. Esto mejora la calidad de los registros neuronales y la eficacia de la estimulación neuronal, que es crucial para aplicaciones como las interfaces cerebro-máquina.
===EcoG===
La electrocorticografía (EcoG) con MEA extensibles ofrece un método menos invasivo para registrar la actividad eléctrica de la superficie del cerebro. Estas matrices pueden adaptarse a la superficie cortical, proporcionando grabaciones estables y de alta resolución incluso durante los movimientos cerebrales. Esta capacidad es esencial para aplicaciones como la monitorización de la epilepsia y las interfaces cerebro-computadora.
===Monitoreo cardíaco===
Los sMEA se emplean en la monitorización y terapia cardíaca. Se pueden envolver alrededor del corazón para monitorear la actividad eléctrica o administrar impulsos eléctricos terapéuticos. Su flexibilidad garantiza que permanezcan en contacto con la superficie del corazón a pesar de su constante movimiento. Esta aplicación es vital para detectar y tratar arritmias y otras afecciones cardíacas, proporcionando monitoreo en tiempo real e intervención precisa.
===Investigación in vitro===
Los sMEA se utilizan en investigaciones in vitro para estudiar las respuestas celulares en diversas condiciones mecánicas. Permiten el seguimiento y la estimulación de las células en un entorno controlado, proporcionando información sobre el comportamiento celular y los mecanismos de las enfermedades. Esta aplicación es particularmente útil en pruebas de drogas y el desarrollo de nuevas terapias.
===Robótica Suave===
En robótica blanda, los sMEA crean sensores y actuadores que pueden deformarse en respuesta a fuerzas externas. Estas aplicaciones utilizan la resistencia mecánica y la funcionalidad eléctrica de los sMEA para desarrollar robots capaces de navegar en entornos complejos y realizar tareas delicadas. Los sistemas robóticos blandos equipados con sMEA pueden adaptarse a diversas tareas, desde procedimientos médicos hasta automatización industrial.

==Conclusión==
Las matrices de microelectrodos estirables representan un avance en la ingeniería biomédica, con aplicaciones potenciales en interfaces neuronales, monitorización cardíaca, investigación in vitro y robótica blanda. Los esfuerzos de investigación y desarrollo continúan centrándose en superar los desafíos existentes para aprovechar plenamente el potencial de estos dispositivos.
Para obtener más información, visite la descripción general completa de las matrices de microelectrodos estirables en el [sitio web de BMSEED] (https://www.bmseed.com/stretchable-meas ... o-research).

==Ver también==
* Matriz de microelectrodos
*Ingeniería biomédica
* Marcapasos cardíaco artificial
* Estimulación cerebral profunda
* Abrazadera de parche
* Bioelectrónica

More details: https://en.wikipedia.org/wiki/Stretchab ... ray_(sMEA)