Advanced organic neural interfaces: exploring the contribution of surface micro- and nano-patterning

L'impatto delle malattie neurali sulla qualità della vita delle persone è una delle maggiori sfide di questo secolo. In questo scenario, la richiesta di soluzioni cliniche è un'esigenza pressante. Nell’ottica di fornire soluzioni efficaci i dispositivi capaci di comunicare con il sistema nervoso, le interfacce neurali, sono oggetto di grande interesse, soprattutto dopo i recenti progressi nel campo delle brain-machine interfaces. L’attività di ricerca che ho condotto durante il dottorato e riportata in questa tesi verte sulla modulazione geometrica della superficie di interfacce neurali avanzate, combinata con l'uso del polimero conduttivo PEDOT:PSS, come strategia per migliorare le loro prestazioni come microelettrodi flessibili per la microelettrocorticografia e substrati multifunzionali per stimolare il differenziamento delle cellule neuronali. Per quanto riguarda la prima applicazione, ho progettato e caratterizzato una serie di array di micropillars in PDMS rivestiti di PEDOT:PSS, caratterizzati da elevata flessibilità, proprietà elettrochimiche modulabili e capacità di promuovere l'ancoraggio, la proliferazione e il differenziamento delle cellule neuronali. Ho poi integrato questi elettrodi in dispositivi ultraconformabili per la registrazione epicorticale di segnali neurali, utilizzando un protocollo di fabbricazione appositamente studiato e ho testato le loro prestazioni registrando la forma d’onda di potenziali somatosensoriali indotti in un modello di ratto. Per quanto riguarda la seconda applicazione, ho dimostrato come combinare contemporaneamente guida topografica e stimolazione elettrica favorisca la riconnessione assonale, procedendo poi ad integrare guida topografica e stimolazione elettrica su scaffold biodegradabili, in vista di future applicazioni in vivo. In sintesi, questa tesi si propone di studiare come la modulazione geometrica di superfici conduttive influisca sulle loro prestazioni quando impiegate come interfacce neurali, suggerendo la micro- e nano-modellazione come un’entusiasmante frontiera per lo sviluppo di applicazioni diagnostiche e terapeutiche più efficaci.

The impact of neural diseases on people’s quality of life is one of the biggest challenges of this century. In this scenario, the demand for clinical solutions represents an urgent need. To offer effective solutions, devices providing communication with the nervous system, i.e. neural interfaces, are matter of great interest, especially after the recent breakthrough advances in brain-machine interfaces. In this thesis, I explored geometrical modulation of the surface of advanced neural interfaces, paired with the use of the conductive polymer PEDOT:PSS, as a strategy to improve their performances as high surface area soft electrodes for micro-electrocorticography and multifunctional substrates for boosting neuronal cell differentiation. Relating to the first application, I designed and characterized a set of PEDOT:PSS coated PDMS micropillars arrays featuring high flexibility, tailored electrochemical properties and ability to promote neuronal cell anchoring, proliferation and differentiation. Then, I integrated such micropillar electrodes into ultra-conformable devices for epicortical recording by means of an ad-hoc designed fabrication protocol. and tested their performances by recording somatosensory evoked potentials in rat model. About the second application, I demonstrate the proof-of-concept of coupling topographical guidance and electrical stimulation for promoting axonal reconnection, then taking a step further and integrating topographical guidance and electrical stimulation onto biodegradable scaffold, in the view of future in vivo applications. In summary, the present thesis investigates how the geometrical modulation of conductive surfaces impact the performances of neural interfaces, suggesting micro- and nano-patterning as an exciting frontier for the development of more effective diagnostic and therapeutic applications.