Surface Characterization of Modified Neural Implants by Ângela

Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra Departamento de F́ısica Masters Degree in Biomedical Engineering by Ângela Sofia de Sousa Dinis Neural implants represent a new hope for the rising number of patients with neurodegenerative diseases. These electrode-neuronal tissue interfaces are capable of recovering sensory and functional losses by stimulation of neuronal cells or monitoring the CNS by the recording of nerve signals. However, the implantation of devices in the CNS still remains one of the biggest challenges of neurosciences, due to the immune reactions that follow their insertion into the human body. Glial scar formation causes the implant’s encapsulation, increasing the distance between the electrode and neurons, which will induce the decrease of the signal-to-noise ratio. This violent response, also results in both electrode and neuronal tissue deterioration. The main objective of the present work was the development of coatings intended to improve silicon-based neural implants biocompatibility. The proposed materials were silicon dioxide, as insulator, silver and copper as antibacterial agents, and gold which will permit the implant’s identification in imaging exams, and will induce silver/copper’s oxidation, which only are effective in their oxidized form. Therefore, the work was based in the surface characterization of modified Si with thin films of SiO2, Au, Ag and Cu, as well as with thin films of three different systems: SiO2/Au, SiO2/Ag e SiO2/Cu, varying the percentage of the metallic element. Chemical composition, wettability and morphology/topography were the surface properties analyzed. From the monolithic thin films, only copper’s has not shown a biocompatible behavior, presenting hydrophobic characteristics and poor adhesion to the silicon wafer. From the SiO2/metallic element systems, it was verified that the metallic element deposition induced a general increase in contact angles, but also a general improvement in the thin film’s topography. Silver’s release in in vitro tests, which has been concluded to be related to its film’s initial at. %, was achieved specially for the 24.3% Ag, with an increase of the average roughness. The only film that induced the release of copper ions was 10.5% Cu. However, this thin film presented inadequate surface wettability properties for the application in study. Future work should include a new characterization of SiO2 doped with both Ag and Au, where the systems with the best characteristics should be submitted to in vitro cell tests. UNIVERSIDADE DE COIMBRA Resumo Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra Departamento de F́ısica Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica por Ângela Sofia de Sousa Dinis Os implantes neuronais representam uma nova esperança para o número em crescente de pessoas que sofrem de doenças neurodegenerativas. Estas interfaces eléctrodo-tecido nervoso são capazes de restituir perdas sensoriais e funcionais pela estimulação de células nervosas, ou de monitorar o SNC, pelo registo de impulsos nervosos. Contudo, a implantação de dispositivos no SNC é, ainda, um dos maiores desafios das neurociências, devido às reacções imunitárias que advêm da sua inserção no corpo humano. A formação de tecido cicatricial das células da glia provoca o encapsulamento do implante, levando ao afastamento do eléctrodo aos neurónios, induzindo a diminuição da razão sinal-rúıdo. Esta resposta violenta resulta ainda numa deterioração do implante e do tecido nervoso. O presente trabalho teve como objectivo o desenvolvimento de revestimentos de modo a optimizar a biocompatibilidade de implantes neuronais de siĺıcio. Os materiais propostos para o efeito são dióxido de siĺıcio como isolante, prata e cobre como agentes antibacterianos, e ouro que permitirá a identificação do implante em exames imagiológicos e induzirá a oxidação da prata e do cobre, que apenas serão eficazes na sua forma oxidada. Assim, procedeu-se à caracterização de superf́ıcies de Si modificadas com filmes finos de SiO2, Au, Ag e Cu, bem como com três sistemas diferentes: SiO2/Au, SiO2/Ag e SiO2/Cu, com percentagens variáveis do elemento metálico. As propriedades de superf́ıcie analisadas foram composição qúımica, molhabilidade e morfologia/topografia. Dos filmes monoĺıticos, apenas o de cobre demonstrou não ter um comportamento biocompat́ıvel, com caracteristicas hidrofóbicas e fraca adesão à superf́ıcie de siĺıcio. Dos sistemas SiO2/elemento metálico, verificou-se que a deposição do elemento induziu um aumento geral do ângulo de contacto, mas uma melhoria geral da topografia dos filmes finos. A libertação da prata em testes in vitro, que se concluiu estar relacionada com a sua %at. inicial, foi conseguida com um consequente aumento da rugosidade média, para o filme de 24,3% Ag. O único filme que induziu libertação de iões de cobre foi o de 10,5% Cu, no entanto este filme possuiu molhabilidade de superf́ıcie menos adequada à aplicação em estudo. Propõe-se, como trabalho futuro, uma nova caracterização de filmes finos de SiO2 dopados com Ag e Au em simultâneo, onde os sistemas com melhor caracteŕısticas seriam submetidos a testes in vitro com cultura de células.