[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.

[en] The limitations of animal and in vitro models to accurately predict human responses pose a major challenge in biomedical research, particularly impacting disease modeling and drug development. Organs-on-a-chip (OoCs) devices that culture cells in environments closely mimicking human physiology and pathophysiology offer a potential solution to bridge the gap between human biology and traditional models. The purpose of OoC technology is not to replicate an entire organ but to reproduce key elements of its functionality in a microscale system. Current readout systems in OoC devices often rely on traditional methods that are labor-intensive and involve data processing that lags behind real-time events. These methods frequently require the termination of the experiment for analysis, leading to delays in data access, increased time and costs, limited real-time insights, and a higher likelihood of manual errors. Integrating sensing elements into OoC devices addresses these challenges by enabling automated quantitative data acquisition and real-time information for in-situ decision-making, thereby improving both efficiency and accuracy in the experimental process. Despite these benefits, many OoC systems lack integrated sensing capabilities due to the technical challenges of sensor integration. This gap persists due to the complexity of integrating sensors, which requires specialized expertise in microfabrication techniques and access to sophisticated instrumentation. This thesis presents innovations aimed at enhancing in vitro human models and reducing reliance on animal testing. It focuses on the design of the devices and electrodes, material selection, and novel fabrication methods to monitor barrier function, model and measure oxygen levels, and detect neuronal electrophysiological activity. First, a microfluidic device with semitransparent electrodes was designed to monitor the integrity of barrier-forming tissues. The semitransparent electrodes allow to match the electrode area with the cell culture area for accurate measurements of barrier function while allowing optical access simultaneously. Second, a microfluidic device with adjustable oxygen scavenging capacity with integrated oxygen sensors was developed to better mimic the oxygen microenvironment of tissues for OoC applications. The sensor integration protocol was developed using inkjet printing technologies and can be adapted to various materials that are compatible with OoC technology. Third, the thesis introduces multi-sensing platforms that integrate multiple electrodes to enhance data acquisition from OoC systems, allowing for more detailed and robust information collection. This includes an OoC device that integrates both barrier function and oxygen level monitoring. Additionally, an origami-inspired platform was developed to sense the electrophysiological activity of neuronal 3D tissues while also monitoring barrier function. This thesis demonstrates the potential of integrating electrodes into advanced OoC devices to deepen our understanding of physiological processes and highlights the advantages of OoC over traditional models.