[ca] Les limitacions dels models animals i de la experimentació in vitro per predir amb precisió les respostes humanes representen un repte important en la investigació biomèdica, afectant especialment la modelització de malalties i el desenvolupament de fàrmacs. Els dispositius d'òrgans-en-un-xip (OoC), que cultiven cèl·lules en entorns que imiten de prop la fisiologia i la fisiopatologia humanes, ofereixen una possible solució per tancar la bretxa entre la biologia humana i els models tradicionals. La finalitat de la tecnologia OoC no és replicar un òrgan complet, sinó reproduir-ne elements clau de la seva funcionalitat en un sistema a microescala. Els sistemes de monitoratge actuals en els dispositius OoC sovint es basen en mètodes tradicionals que són laboriosos i impliquen un processament de dades que no segueix el ritme dels esdeveniments en temps real. Aquests mètodes sovint requereixen la finalització de l'experiment per a l'anàlisi, cosa que provoca retards en l'accés a les dades, un augment del temps i dels costos, limitacions en la informació en temps real, i una major probabilitat d'errors manuals. La integració d'elements de detecció en els dispositius OoC aborda aquests reptes en permetre l'adquisició automatitzada de dades quantitatives i l'obtenció d'informació en temps real per a la presa de decisions in situ, millorant així tant l'eficiència com la precisió en el procés experimental. Malgrat aquests beneficis, molts sistemes OoC no disposen de capacitats de detecció integrades a causa dels desafiaments tècnics que comporta la integració de sensors. Aquesta bretxa persisteix a causa de la complexitat de la integració de sensors, que requereix coneixements especialitzats en tècniques de microfabricació i accés a instrumentació sofisticada. Aquesta tesi presenta innovacions dirigides a millorar els models humans in vitro i a reduir la dependència de l'experimentació animal. Se centra en el disseny de dispositius i d'elèctrodes, la selecció de materials, i nous mètodes de fabricació per monitorar la funció de barrera, modelar i mesurar els nivells d'oxigen, i detectar l'activitat electrofisiològica neuronal. En primer lloc, es va dissenyar un dispositiu microfluídic amb elèctrodes semitransparents per monitoritzar la integritat dels teixits formadors de barrera. Els elèctrodes semitransparents permeten mesures precises de la funció de barrera mentre mantenen l'accés òptic simultàniament. En segon lloc, es va desenvolupar un dispositiu microfluídic amb capacitat ajustable d'eliminació d'oxigen i amb integració de sensors d'oxigen, per imitar millor el microambient d'oxigen dels teixits en aplicacions OoC. El protocol d'integració de sensors es va desenvolupar utilitzant tecnologies d'impressió per injecció de tinta i es pot adaptar a diversos materials compatibles amb la tecnologia OoC. En tercer lloc, la tesi introdueix plataformes de multisensat que integren múltiples elèctrodes per millorar l'adquisició de dades dels sistemes OoC, permetent una recopilació d'informació més detallada i robusta. Això inclou un dispositiu OoC que integra tant el monitoratge de la funció de barrera com dels nivells d'oxigen. A més, es va desenvolupar una plataforma inspirada en l'origami per detectar l'activitat electrofisiològica de teixits neuronals en 3D, mentre també es monitoritza la funció de barrera. Aquesta tesi demostra el potencial d'integrar elèctrodes en dispositius avançats d'OoC per aprofundir en la comprensió dels processos fisiològics i subratlla els avantatges de l'OoC respecte als models tradicionals.

[es] Las limitaciones de los modelos animales y experimentación in vitro para predecir con precisión las respuestas humanas representan un desafío en la investigación biomédica, afectando la modelización de enfermedades y el desarrollo de fármacos. Los dispositivos de órganos-en-un-chip (OoC) que cultivan células en entornos que imitan de cerca la fisiología y fisiopatología humanas, ofrecen una posible solución para cerrar la brecha entre la biología humana y los modelos tradicionales. El propósito de la tecnología OoC no es replicar un órgano completo, sino reproducir sus funciones clave en un sistema a microescala. Los sistemas de monitoreo actuales en los dispositivos OoC a menudo dependen de métodos tradicionales laboriosos e implican un procesamiento de datos que no sigue el ritmo de los eventos en tiempo real. Estos métodos suelen requerir la terminación del experimento para su análisis, lo que conduce a retrasos en el acceso a los datos, un aumento del tiempo y costos, limitaciones en la obtención de información en tiempo real, y una mayor probabilidad de errores manuales. La integración de elementos de detección en los dispositivos OoC aborda estos desafíos al permitir la adquisición automatizada de datos cuantitativos y la obtención de información en tiempo real para la toma de decisiones in situ, mejorando así tanto la eficiencia como la precisión en el proceso experimental. A pesar de estos beneficios, muchos sistemas OoC carecen de capacidades de detección integradas debido a los desafíos técnicos que presenta la integración de sensores. Esta brecha persiste debido a la complejidad de la integración de sensores, que requiere conocimientos especializados en técnicas de microfabricación y acceso a instrumentación sofisticada. Esta tesis presenta innovaciones dirigidas a mejorar los modelos humanos in vitro y a reducir la dependencia de la experimentación animal. Se centra en el diseño de dispositivos y electrodos, la selección de materiales, y nuevos métodos de fabricación para monitorear la función de barrera, modelar y medir los niveles de oxígeno, y detectar la actividad electrofisiológica neuronal. En primer lugar, se diseñó un dispositivo microfluídico con electrodos semitransparentes para monitorizar la integridad de los tejidos formadores de barrera. Los electrodos semitransparentes permiten mediciones precisas de la función de barrera mientras se mantiene el acceso óptico simultáneamente. En segundo lugar, se desarrolló un dispositivo microfluídico con capacidad de eliminación de oxígeno ajustable e integración de sensores de oxígeno, para imitar mejor el microambiente de oxígeno de los tejidos en aplicaciones de OoC. El protocolo de integración de sensores se desarrolló utilizando tecnologías de impresión por inyección de tinta y puede adaptarse a diversos materiales compatibles con la tecnología OoC. En tercer lugar, la tesis introduce plataformas de multisensado que integran múltiples electrodos para mejorar la adquisición de datos de los sistemas OoC, permitiendo una recopilación de información más detallada y robusta. Esto incluye un dispositivo OoC que integra tanto el monitoreo de la función de barrera como de los niveles de oxígeno. Además, se desarrolló una plataforma inspirada en el origami para detectar la actividad electrofisiológica de tejidos neuronales en 3D mientras se monitoriza también la función de barrera. Esta tesis demuestra el potencial de integrar electrodos en dispositivos avanzados de OoC para profundizar nuestra comprensión de los procesos fisiológicos y resalta las ventajas de OoC sobre los modelos tradicionales.