Riassunto analitico
L’obiettivo di questa tesi è lo sviluppo e la standardizzazione di dispositivi elettronici impiantabili per il trattamento di condizioni patologiche del Sistema Nervoso Centrale e Periferico, nell’ambito scientifico disciplinare dell’elettroceutica.
Architetture di elettrodi disegnate su misura, flessibili e biocompatibili stanno emergendo come strumenti utili per la comunicazione bidirezionale con il Sistema Nervoso, in particolare per la diagnostica (ovvero la registrazione di segnali bioelettrici e/o la rilevazione di biomarker) e per il trattamento di malattie del Sistema Nervoso (es. stimolazione elettrica, somministrazione loco-regionale di farmaci); l’Elettronica Organica è la piattaforma tecnologica ideale per ottenere questi obiettivi.
L’accoppiamento dell’elettronica con il mondo biologico può essere realizzato mediante l’utilizzo di conduttori organici, data la loro elevata sensibilità, la possibilità di utilizzarli a partire da una fase liquida, di attuare una fine regolazione chimico-fisica, e di realizzare dispositivi a bassa dimensionalità.
Il Poly(3,4-EthyleneDiOxyThiophene):Poly(Styrene-Sulfonate) (PEDOT:PSS), è un polimero conduttivo in sospensione acquosa composto da PEDOT, un polimero coniugato carico positivamente, e PSS, un polianione che garantisce l’elettroneutralità e permette la conduzione di cariche positive. L’elevata idrofilicità di questo materiale si riflette in una grande area di contatto con l’elettrolita e porta ad una bassa impedenza degli elettrodi di PEDOT:PSS in ambiente acquoso, come quello biologico.
In questo lavoro, sono stati sviluppati due dispositivi aventi come materiale principale il PEDOT:PSS:
• PRODE: un Dispositivo Elettronico Organico utilizzato per ripristinare la funzionalità erettile conseguente alla Prostatectomia Radicale; questo dispositivo è composto da PEDOT:PSS, utilizzato come materiale conduttivo, depositato su un substrato di Poly-di-methyl-siloxane (PDMS) e patternato mediante laser ablation;
• POETS: un Trasduttore e Stimolatore Elettronico Organico ottenuto imbevendo con PEDOT:PSS un substrato di carta, e interfacciato direttamente con il cervello.
Le proprietà elettriche e morfologiche di entrambi i dispositivi sono state caratterizzati mediante misure elettriche e di Microscopia a Forza Atomica, al fine di ottimizzarli e di impiegarli in applicazioni in vivo. La funzionalità dei due dispositivi è stata quindi dimostrata in vitro.
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Abstract
This thesis aims at the development and the standardization of implantable electronic devices for the treatment of pathological conditions of the Central and Peripheral Nervous System, in the framework of electroceutics.
Tailored, conformable, and biocompatible electrode architectures are useful tools to achieve the bidirectional communication with the Nervous System, in particular for diagnostics (i.e. recording of bioelectrical signals, detection of molecular biomarkers) and treatment of Nervous System disorders (e.g. electrical stimulation, loco-regional controlled drug delivery). Organic Electronics is the ideal technological platform to this aim.
Due to their inherent sensitivity, the specific ion-pi interaction, the possibility of chemo-physical fine tuning, their processability from liquid phases (ideally from aqueous solutions) and low dimensionality, organic (semi)conductors and polymers offer unprecedented possibilities to couple logic electronics devices (where charge carriers are holes or electrons) and the biological world (where charge carriers are ions).
Poly(3,4-EthyleneDiOxyThiophene):Poly(Styrene-Sulfonate) (PEDOT:PSS) is a water-soluble conductive polymer composed by PEDOT, a positively charged conjugated polymer, and PSS, a polyanion which ensures electro-neutrality and allows conduction of positive charges. PEDOT:PSS electrodes exhibit good performances in aqueous environment, such as biological systems, due to the high hydrophilicity of the material which features large contact areas with electrolytes and, subsequently, low impedance.
In this work, two devices based on PEDOT:PSS on biocompatible scaffolds have been developed.
• PRODE: an implantable Organic Electronic Device employed to restore erectile function after Radical Prostatectomy; it is composed by PEDOT:PSS, as conductive material, deposited on a Poly-di-methyl-siloxane (PDMS) scaffold and patterned by means of direct laser ablation;
• POETS: a Paper-supported Organic Electronic Transducer and Stimulator, obtained soaking paper substrates in PEDOT:PSS, meant to be directly interfaced with the brain for transduction/stimulation.
Electrical and morphological properties of either the two devices were characterized by potentiometric measurements, frequency response, efficiency of current injection and Atomic Force Microscopy measurements, in order to optimize and finally employ them for in vivo applications. These devices are then demonstrated in vitro.
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