Sensor integration approaches for improved monitoring in Organ-on-a-Chip systems

Resum

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.

Data del Ajut	25 de nov. 2024
Idioma original	Anglès
Supervisor	Maria del Mar Alvarez Sanchez (Director/a) & Xavier Illa Vila (Director/a)