Development of a biocompatible, electroconductive, elastomeric construct for use as a somatosensory system microenvironment

Siddhi Bianca Camila Lama

Key information

Authors:

Siddhi Bianca Camila Lama (Siddhi Bianca Camila Lama)

Supervisors:

Frederico Castelo Alves Ferreira (Frederico Castelo Alves Ferreira); Ann Marie Rajnicek; Jorge Manuel Mateus Martins (Jorge Manuel Mateus Martins)

Published in

12/09/2019

Abstract

Ao longo da existência humana, a perda de membros foi considerada um prejuízo irreversível e perda permanente de função. Até recentemente, a restauração do feedback sensorial para usuários de próteses e indivíduos com neuropatias variadas era inimaginável. No entanto, desenvolvimentos multidisciplinares tornaram a recuperação dessa função cada vez mais factível. A falta de pele inervada, que permite que uma miríade de estímulostáteis seja detetada e interpretada, tem sido um dos principais obstáculos na restauração do feedback sensorial completo. Isso foi combatido através do design de substitutos artificiais da pele, permitindo aos usuários um feedback sensorial parcial, mas não padrão. Esta tese enfoca a criação de um sistema somatossensorial de bioengenharia, tanto em termos de substrato micro ambiental como em ambiente celular. Nós criamos um modelo de sistema somatossensorial projetando uma construção tridimensional, biocompatível, elastomérica, eletrocondutora, permeável, sensível à pressão, capaz de atuar como uma interface para as células do sistema somatossensorial. A validação dos componentes individuais e do constructo completo foi realizada. Começamos avaliando métodos mecânicos, avaliando as propriedades de deformação elástica, alongamento na ruptura e fadiga. Em seguida, analisamos a condutividade eléctrica, tanto em estase como durante vários pontos de fadiga eletromecânica, bem como em ambientes secos e líquidos. Além disso, avaliamos a piezoeletricidade do constructo, validando o uso da capacidade do nosso constructo para funcionar como um elétrodo macio. A análise do nosso sistema somatossensorial foi validada com vários tipos de células encontradas no sistema somatossensorial, tais como: fibroblastos, queratinócitos, células de Schwann, células ganglionares da raiz dorsal e células progenitoras neuropáticas. Citotoxicidade, adesão, expansão e diferenciação foram todas avaliadas. Além disso, células neurais e co-culturas contendo células neurais foram avaliadas em campos elétricos para entender os efeitos da eletricidade no nosso modelo de sistema somatossensorial. Experimentos de campo elétrico usando tais estruturas (scaffolds) podem eventualmente tornar-se um método padrão para realizar modelagem in vitro de terapias do sistema somatossensorial baseadas em eletricidade. Sistemas somatossensoriais de bioengenharia podem ser potencialmente integrados em interfaces homem-máquina bidirecionais, levando a uma função sensorial melhorada para usuários de próteses e possibilitando a criação de modelos de doenças do sistema somatossensorial que possam ajudar a entender as neuropatiassensoriais e analgesia congênita. Throughout human existence, limb loss has been considered an irreversible detriment and permanent loss of function. Until recently, restoration of sensory feedback for prosthesis users and subjects with varied neuropathies was unimaginable. However, multidisciplinary developments have made recovery of this function increasingly attainable. Lack of innervated skin, which allows for a myriad of tactile stimuli to be detected and interpreted, has been one of the key hindrances in the restoration of complete sensory feedback. This has been combated through design of artificial skin substitutes, enabling users with partial—but not standard— sensory feedback. Thisthesisfocuses on the creation of a bioengineered somatosensory system, both in terms of the micro-environmental substrate and cellular environment. We went about creating a physical somatosensory system model by designing a biocompatible, elastomeric, electroconductive, perdurable, pressure-sensitive, three-dimensional construct capable of acting as an interface for somatosensory system cells. Validation of both individual components and the complete construct was performed. We began by assessing mechanical methods, assessing the tensile deformation, elongation at break, and fatigue properties. We subsequently analysed electroconductivity, both in stasis and during various points of electromechanical fatigue, as well as in dry and liquid environments. Furthermore, we assessed the piezoelectricity of the construct, validating the use of our construct’s ability to function as a soft electrode. Analysis of our somatosensory system construct was validated with various cell types found in the somatosensory system, namely: fibroblasts, keratinocytes, Schwann cells, and dorsal root ganglion cells. Material cytotoxicity and cellular adhesion, expansion, and differentiation on materials were all assessed. Additionally, neural cells and co-cultures containing neural cells were assessed under electrical fields to understand the effects of electricity on our somatosensory system model. Electrical field experiments using such scaffolds can eventually become a standard method of performing in vitro modelling of electricity-based somatosensory system therapies. Bioengineered somatosensory systems can potentially be integrated into novel, bi-directional human-machine interfaces, leading to enhanced sensory function for users of prostheses and enable the creation of somatosensory system disease models to better understand sensory neuropathies and congenital analgesia.