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Characterization and properties of alternative materials
on electrode microstructures in biomedical applications
B. S. Soto-Cruz1. , J. L. Sosa-Sánchez, F. López-Huerta, J. Vázquez.
1
Centro de Investigaciones en Dispositivos Semiconductores, 2Facultad de Ciencias de la Electrónica.
Benemérita Universidad Autónoma de Puebla.
A. P. 1651, 72000 Puebla, México, [email protected]
In the last decades, the study of cellular function and response has been used for understand
the workings of the body. Electrical activity of cells has classically been studied using
micropipette or planar microelectrodes, the difference and importance between these
techniques mainly is the invasive and non-invasive monitoring of the electrical activity of
cells. Typically, the micropipettes are made of glass, whereas the microelectrodes the
possibilities are more ample: metals, indium-tin-oxide, iridium, silicon oxide, etc [1].
Another important point of planar electrodes is because by using a silicon substrate and
standard integrated circuit fabrication is possible to develop a whole system in which the
recording and the stimulation of cell activity are together. Additionally, the advance of the
technology makes possible the growing of capabilities and sensitivity of cellular studies as
well as the alternative for electrodes fabrication. In this sense, the study of microelectrode
properties has been justify, firstly because a novel material could make possible new
applications and second because the electrical characteristics are connected closely with the
materials of which are made. To develop these materials we have to consider not only the
electrical properties but also the biocompatibility. The focus of this work is to study the
electrical properties and biocompatibility of metalo-phtalocyanine of different compounds
in order to be used for biomedical applications. We obtain the I-V characteristics as well as
the impedance measurements. The morphological studies was done for determinate the
toxicity of the material. The comparison between the results from the alternative materials
and typical once was important for validation of the selection of our material. The obtained
results verify that the metalo-phtalocyanine is a biocompatible alternative material with
good electrical properties for biomedical applications.
1. Fromherz, P., Offenh A., Vetter T. and Weis J., “A neuron-silicon: a retzius cell of the
leech on an insulated-gate Field-effect Transistor”, Science, 252:1290-1293 (1991).
* Agradecimiento: CONACyT y PROMEP
CARACTERIZACIÓN Y PROPIEDADES DE MATERIALES ALTERNATIVOS
COMO MICROESTRUCTURAS EN ELECTRODOS PARA APLICACIONES
BIOMÉDICAS
B. S. Soto-Cruz1. , J. L. Sosa-Sánchez, F. López-Huerta, J. Vázquez.
1
Centro de Investigaciones en Dispositivos Semiconductores, 2Facultad de Ciencias de la Electrónica.
Benemérita Universidad Autónoma de Puebla.
A. P. 1651, 72000 Puebla, México, [email protected]
En las últimas décadas, el estudio de la función celular y su respuesta ha sido usado para
comprender el comportamiento de los cuerpos. La actividad eléctrica de las células ha sido
estudiada clásicamente usando micropipetas o microelectrodos planares, la diferencia y su
importancia radica en la invasión del monitoreo del registro de la actividad eléctrica de las técnicas
empleadas. Típicamente, las micropipetas son hechas de vidrio, mientras que para los
microelectrodos las posibilidades son más amplias; metales, óxido delgado de indio, óxido de
silicio, etc. [1]. Otro punto importante de los electrodos planares es el uso de substratos de silicio y
de procesos de fabricación estándar de circuitos integrados. Esta característica es muy importante
debido a que posibilita el desarrollo de sistemas completos que incluyan el registro y la
estimulación de la actividad celular sobre un mismo substrato. Adicionalmente, la ventaja de la
tecnología hace posible ampliar las capacidades y la sensibilidad de los estudios celulares así como
la fabricación de los mismos electrodos. En este sentido, los estudios de las propiedades de los
microelectrodos son bien justificables, debido primeramente a que materiales novedosos pueden
habilitar nuevas aplicaciones así como que las propiedades eléctricas de los microelectrodos están
cercanamente ligadas con la eficiencia del registro de la actividad eléctrica de la célula. Para
desarrollar materiales alternativos se debe considerar además de estas propiedades eléctricas, las
propiedades biológicas como la biocompatibilidad relacionada con la supervivencia de la célula. El
desarrollo del trabajo presenta el estudio de las propiedades eléctricas y de biocompatibilidad de
diferentes metalo-ftalocianinas (Pb, Zn). Se realiza la medición de la característica I-V así como
medición de impedancia. Adicionalmente se realizan estudios morfológicos para determinar la
toxicidad del material, para finalmente verificar la propuesta del material alternativo para
aplicaciones biomédicas.
1. Fromherz, P., Offenh A., Vetter T. and Weis J., “A neuron-silicon: a retzius cell of the
leech on an insulated-gate Field-effect Transistor”, Science, 252:1290-1293 (1991).
* Agradecimiento: CONACyT y PROMEP
CARACTERIZACIÓN Y PROPIEDADES DE MATERIALES ALTERNATIVOS
COMO MICROESTRUCTURAS EN ELECTRODOS PARA APLICACIONES
BIOMÉDICAS
B. S. Soto-Cruza, J. L. Sosa-Sánchezb, F. López-Huertaa, J. Vázquez S.b
a
Laboratorio de Microsensores y Circuitos Integrados, del Centro de Investigación en
Dispositivos Semiconductores, BUAP, Puebla-México [email protected]
b
Laboratorio de Química, del Centro de Investigación en Dispositivos Semiconductores,
BUAP, Puebla-México [email protected]
RESUMEN
Las propiedades de los materiales usados típicamente como microelectrodos sea oro o platino, tienen fuerte
influencia sobre la eficiencia del registro de biopotenciales. Regularmente su impedancia eléctrica se ve
afectada por las dimensiones, y la forma, y su valor es extremadamente alto, tanto que la señal proveniente de
la célula se ve seriamente afectada. Muchos han sido los esfuerzos para disminuir la impedancia, desde
tratamientos para aumentar el área superficial hasta generar microestructuras tridimensionales. A pesar de
todo esto, sigue siendo un punto focal que merece estudios químicos y electrónicos en el desarrollo de
sistemas de registros para aplicaciones biomédicas. Este trabajo se centra en el estudio de diversos materiales
alternativos MPc (metalo-ftalocianinas) de diversos metales (Pb, Zn), su caracterización eléctrica y los
correspondientes estudios de biocompatibilidad. Adicionalmente se comparan los resultados con los obtenidos
para microelectrodos de silicio cristalino altamente dopado y oro.
1. INTRODUCCIÓN
En las últimas décadas, el estudio de la función celular y su respuesta ha sido usado para
comprender el comportamiento de los cuerpos. La actividad eléctrica de las células ha sido
estudiada clásicamente usando micropipetas o microelectrodos planares, la diferencia y su
importancia radica en la invasión del monitoreo del registro de la actividad eléctrica de las técnicas
empleadas. Típicamente, las micropipetas son hechas de vidrio, mientras que para los
microelectrodos las posibilidades son más amplias; metales, óxido delgado de indio, óxido de
silicio, etc. Otro punto importante de los electrodos planares es el uso de substratos de silicio y de
procesos de fabricación estándar de circuitos integrados. Esta característica es muy importante
debido a que posibilita el desarrollo de sistemas completos que incluyan el registro y la
estimulación de la actividad celular sobre un mismo substrato. Adicionalmente, la ventaja de la
tecnología hace posible ampliar las capacidades y la sensibilidad de los estudios celulares así como
la fabricación de los mismos electrodos. En este sentido, los estudios de las propiedades de los
microelectrodos son bien justificables, debido primeramente a que materiales novedosos pueden
habilitar nuevas aplicaciones así como que las propiedades eléctricas de los microelectrodos están
cercanamente ligadas con la eficiencia del registro de la actividad eléctrica de la célula. Para
desarrollar materiales alternativos se debe considerar además de estas propiedades eléctricas, las
propiedades biológicas como la biocompatibilidad relacionada con la supervivencia de la célula. El
desarrollo del trabajo presenta el estudio de las propiedades eléctricas y de biocompatibilidad de
diferentes metalo-ftalocianinas (Pb, Zn). Se realiza la medición de la característica I-V así como
medición de impedancia. Adicionalmente se realizan estudios morfológicos para determinar la
toxicidad del material, para finalmente verificar la propuesta del material alternativo para
aplicaciones biomédicas.
2. EXPERIMENTACIÓN
Se realizaron tres tipos de muestras con metalo-ftalocianinas (M-Pc): de Plomo y Zinc; el
procedimiento de obtención puede ser encontrado en el trabajo realizado por Sosa et. al. [1]. Para
los depósitos fueron usados substratos de vidrio. Para las mediciones de biocompatibilidad, las
condiciones de las medición morfológica puede encontrarse en el trabajo realizado por Soto et. al.
[2]. Se desarrollo un sistema que incluye un medio de cultivo con 48 microelectrodos. Para formar
el contacto posterior (al Amplificador) en las mediciones eléctricas, se realizó un patrón metálico
previo al depósito de las metalo-ftalocianinas, ver Fig. 1b. El contacto superior, fue obtenido por un
alambre de Au de 99.999% de pureza. Para simular las condiciones biológicas, ambos contactos y la
muestra se mantuvieron completamente sumergidos en electrolito (solución fisiológica), ver Fig. 1a.
Fig. 1 a) vista transversal de las condiciones de la medición eléctrica.
Fig. 1 b) patrón de microelectrodos (gris) con interconexiones (azul) con el chip fabricado.
Las curvas I-V fueron obtenidas para cada una de las metalo-ftalocianinas a temperatura ambiente.
Las curvas de impedancia fueron obtenidas para cada uno de las metalo-ftalocinaninas a
temperatura ambiente usando un sistema automatizado que utiliza una tarjeta de adquisición y un
software realizado a doc para dicha medición [3].
3. RESULTADOS Y DISCUSIONES
La Fig. 2 muestra la comparación del comportamiento elèctrico en DC de los microelectrodos de
Au (■ ), silicio cristalino altamente dopado (■) y metalo-ftalocianina de plomo (■). Los electrodos
fueron referenciados a un electrodo de las mismas características (alambre de oro). Se observa que
la densidad de corriente para la M-Pc es más alta que para las otras dos. Esta condición es deseable
debido a las condiciones de equilibrio que se requieren en la interfaz microelectrodo/electrolito,lo
cual se aproxima cuando se tienen altas densidades de corriente [4].
250
Au
Si
MPc
Polarización electrodo (mV)
200
150
100
50
-9
10
-8
10
-7
10
-6
10
-5
10
-4
-3
10
10
Densidad corriente (A)
Fig. 2 Comparación del comportamiento eléctrico en DC del electrodo de Au, silicio cristalino altamente
dopado y metalo-ftalocianina de plomo.
/Impedancia/ (in ohms)
La respuesta en frecuencia de los microelectrodos se muestra en la Fig. 3.
10
7
10
6
10
5
10
4
-1000
ZSi
ZAu
MPc
0
1000
2000
3000
4000
5000
frecuencia (Hz)
Fig. 3
Comparación del comportamiento eléctrico en frecuencia para electrodos de Au, Si
cristalino altamente dopado y M-Pc de plomo.
Para la banda de frecuencia de 10 a 5KHz se obtuvieron valores de impedancia menores para la
M-Pc de plomo, lo que comprueba la viabilidad de utilizar este material alternativo.
Adicionalmente se midió la M-Pc de zinc, esta ftalocianina se esperaba tuviera mejores
características debido a su carácter positivo (igual que el silicio altamente dopado), sin embargo
los valores esperados no fueron del todo satisfactorios, el comportamiento fue similar a la de su
contraparte de metal (Au).
Los estudios de biocompatibilidad fueron realizados en el laboratorio del Instituto de Fisiología
BUAP. Las mediciones electrofisiológicas utilizaron neuronas del ganglio vestibular en cultivo,
se realizó la identificación celular y la viabilidad celular. En la Fig. 4 se muestran algunos
resultados.
Barra de calibración 20m.
Línea discontinua indica el cero de
corriente.
Fig. 4 En A y B, neuronas del ganglio de la raíz dorsal cultivadas sobre silicio. En A, neuronas
inmunorreactivas a neurofilamentos de mediano peso molecular NF-160 KDa después de 18 horas de
cultivo en L-15 modificado. En B, potencial de acción generado con un pulso de corriente de 400 pA, Vm
= -60 mV. La neurona genera sólo un potencial de acción adaptando rápidamente. C) Registro de un
potencial de acción generado por una neurona del ganglio de la raíz dorsal cultivada sobre la película
demetalo-ftalocianina de plomo, después de 21 horas de cultivo.
4. CONCLUSIONES
Se analizó diferentes materiales alternativos como microelectrodos. Los resultados se compararon
con algunas mediciones experimentales, obteniéndose valores de impedancia para el Si tipo p+
significativamente menores que la contraparte de metal. Para la M-Pc de plomo se comprobó un
mejor comportamiento eléctrico lo cual puede ser ventajoso para utilizarse como microelectrodo,
comprobando con esto la viabilidad de la estructura propuesta. Otro resultado experimental fue el
obtener la densidad de corriente del electrodo del Si tipo p+ comparable con la del metal Pt y aún
más grande la de la metalo-ftalocianina de plomo. Los estudios de biocompatibilidad arrojaron
resultados óptimos para el uso de silicio cristalino altamente dopado, sin embargo para el caso de la
M-Pc de plomo los resultados fueron pobres, sin embargo el material no fue tóxico. Por los
resultados obtenidos creemos que se cumple con el objetivo de mejorar las características eléctricas
con el uso de materiales alternativos.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen el apoyo para la realización de los estudios de biocompatibilidad
desarrollados por el Dr. Enrique Soto del Instituto de Fisiología BUAP, así como de financiamiento
otorgado por el fomento al conocimiento de PROMEP, así como el de Educación Básica de
CONACYT-SEP.
BIBLIOGRAFÍA
1. Clifford C. Leznoff and José L. Sosa-Sánchez , “Polysubstituted Phthalocyanines by Nucleophilic
Substitution Reactions on Hexadecafluorophthalocyanines” , J. Chem. Communications, , 2004, pp.
338-339.
2. Soto E., Limón A., Ortega A., Vega R., “Características morfológicas y electrofisiológicas de las
neuronas del ganglio vestibular en cultivo” Gac. Méd. Méx , Vol. 138 No. 1, 2002, pp. 1-13.
3. Duarte M. A., Soto-Cruz B., Alcántara S., “Sistemas de Medición Automático para Caracterización
de Microestructuras”, Memorias del Congreso de I. Electrónica, Computación y Eléctrica, México
2005.
4. Weast, R.C., (Ed), CRC handbook of chemistry and physics, CRC Press, Boca Raton, Florida (1988).
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