NOVEL ORGANIC AND BIOHYBRID STRATEGIES TO IMPROVE NEURAL INTERFACES BIOCOMPATIBILITY

Il campo dei dispositivi di interfaccia cerebrale è stato oggetto di un'ampia ricerca negli ultimi decenni, aprendo possibilità prima impensabili per la comprensione e il trattamento dei sistemi neurologici, stabilendo così una comunicazione bidirezionale tra i domini apparentemente distanti della biologia e della tecnologia. Il desiderio di raggiungere il pieno potenziale dei dispositivi di interfaccia cerebrale ha ispirato un settore in forte espansione della ricerca e dell'innovazione, mostrando il potenziale per trasformare i campi della neuro-protesi, delle interfacce cervello-computer e delle neuroscienze di base. Questo sforzo tecnologico e scientifico avrebbe il duplice scopo di consentire all'umanità di curare gravi disturbi medici e di acquisire una conoscenza approfondita delle caratteristiche strutturali, funzionali e di segnalazione del sistema nervoso. Tuttavia, la creazione di un'interfaccia funzionalmente stabile a lungo termine tra gli elettrodi e il tessuto è ancora una sfida importante, e i fallimenti interfacciali su entrambi i lati dell'interfaccia biotica/abiotica rimangono il principale fattore di compromissione della durata e delle prestazioni dei dispositivi. Per superare questo problema, sarebbe altamente auspicabile la creazione di interfacce neurali basate su biomateriali avanzati in grado di fondersi perfettamente con il tessuto neurale e di garantire prestazioni stabili a lungo termine; uno dei passi più significativi nel loro sviluppo è la valutazione della biocompatibilità. Questa tesi esplora il miglioramento delle prestazioni e della longevità dei dispositivi neurali studiando materiali non convenzionali per il rivestimento di elettrodi e substrati. La biocompatibilità dei materiali viene valutata considerando la citotossicità, l'infiammazione e la stabilità a lungo/medio termine, in un quadro di convalida incrociata tra le procedure e gli standard più consolidati tipicamente utilizzati per questa valutazione. Inoltre, viene presentato e discusso un approccio di ingegneria tissutale all'interfaccia del dispositivo, con l'obiettivo di migliorare l'interazione e la comunicazione tra gli elettrodi impiantati e il tessuto adiacente, attenuando l'infiammazione che tipicamente si verifica al momento dell'impianto. La funzionalità di questo approccio è stata convalidata attraverso test in vitro e in vivo, dimostrando prestazioni superiori rispetto ai dispositivi non ingegnerizzati. Questa tesi combina i domini della scienza dei materiali, dell'ingegneria dei tessuti, della biologia e della medicina clinica, sottolineando l'intrinseca interdisciplinarità dello sviluppo di dispositivi di interfaccia cerebrale ed evidenziando il ruolo cruciale che la collaborazione tra questi campi ha svolto e svolgerà per plasmare la traiettoria dello sviluppo futuro nelle neuroscienze e nella sanità.

The field of brain interface devices underwent extensive investigation in the last decades, opening up previously unconceivable possibilities for understanding and treating neurological systems, thus establishing a bidirectional communication between the apparently distant domains of biology and technology. The desire to reach the full potential of brain interface devices has inspired a booming sector of research and innovation, showing the potential to transform the fields of neuroprosthetics, brain-computer interfaces, and basic neuroscience. This technological and scientific endeavor would serve the double purpose of allowing mankind to cure severe medical disorders while also gaining deep knowledge about structural, functional and signaling features of the nervous system. However, the establishment of a long-term functionally stable interface between electrodes and tissue is still a major challenge, and interfacial failures on both sides of the biotic/abiotic interface remain the main compromising factor for devices' lifetime and performance. To overcome this issue, neural interfaces based on advanced biomaterials.