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Orientadores: Jacobus Willibrordus Swart, Angelica Denardi de Barros Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: Uma área que está em crescente desenvolvimento reside no campo da neurociência básica, a estimulação e gravação das células nervosas. A possibilidade da aplicação da microtecnologia e os avanços nas ciências de materiais têm permitido gerar dispositivos cada vez mais sofisticados e com maiores funcionalidades. Neste cenário surgem as matrizes multieletrodos (MEAs), dispositivos que atuam como interface cérebro-computador, no qual a rede de microeletrodos faz a comunicação mundo eletrônico ¿ células (que geram o potencial de ação), têm atraído atenção. Com base nisso, este projeto tem como objetivo construir uma MEA de 60 canais para uso (registro e estimulação extracelular in vitro) em culturas de células neurais. Para tanto, inicialmente, foi produzido um conjunto de máscaras, que contêm os padrões utilizados na obtenção dos dispositivos através da técnica de fotolitografia. Na sequência, o procedimento experimental mostra as etapas de microfabricação de dois protótipos de teste denominados MEA1 e MEA2. Apresentamos as etapas de formação da intercamada, e de fotolitografia para formação dos eletrodos, trilhas, pads de contato e isolação, e a finalização do protótipo (colocação do anel de vidro). Assim, com o dispositivo concluído, foi realizada a caracterização do mesmo. Dentre os testes empregados estão: (1) caracterização das amostras, através de microscopia óptica e microscopia de força atômica; (2) Análise do nível de ruído nos eletrodos, por meio da amplitude dos potenciais elétricos registrados com a adição de uma solução salina padrão e verificação do valor RMS do sinal; (3) Teste de estimulação elétrica; e, (4) Teste dos eletrodos (Voltametria Cíclica e Espectroscopia de Impedância). O teste de ruído resultou em eletrodos da MEA1 com bons resultados, exibindo níveis compatíveis com o padrão da MultiChannel Systems. A MEA2 apresentou resultados semelhantes aos da MEA1. Para todos os testes, as amplitudes medidas foram de 10-20µVp-p. Quando o teste de estimulação foi executado, aplicando sinal com amplitude de 0,5mVp-p que simula o sinal obtido em um eletrocardiograma convencional, os mesmos eletrodos que apresentaram boa resposta no teste de ruído também exibiram bons resultados, mostrando um sinal muito próximo ao eletrocardiograma injetado pelo gerador de funções, porém com amplitude menor igual a 0,33mVp-p. Com relação ao teste de Voltametria Cíclica, as curvas resultantes das MEAs produzidas apresentaram formas semelhantes à curva da MEA da MCS, mas com densidade de corrente superior, com uma ordem de grandeza de diferença, e isto foi confirmado calculando os valores de Capacidade de Armazenamento de Carga. As MEAs 1 e 2 exibiram 0,63mC.cm-2 e 0,64mC.cm-2, enquanto a MEA comercial, 0,05 mC.cm-2, com janela de potencial de -1V a +1V. Por fim, o teste de Espectroscopia de Impedância mostrou que os resultados dos eletrodos que funcionam estão muito próximos àqueles encontrados para a Espectroscopia de Impedância na MEA da MCS, dado que as MEAs 1 e 2 apresentaram impedância a 1kHz de ~41k? e ~142 k?, respectivamente. Desta forma, a dissertação apresenta com êxito a implementação desde o desenvolvimento da máscara e das etapas de processo de microlitografia até a obtenção e teste de MEAs com microeletrodos funcionais Abstract: An area that is in increasing development lies in the field of basic neuroscience, stimulation and recording of nerve cells. Possibility of the application of microtechnology and advances in material sciences have allowed to produce more sophisticated devices and with greater functionality. In this scenario the Multielectrode Array (MEA), which is a device that act as a brain-computer interface, where the microelectrodes network makes the communication electronic world ¿ cells (that generate an action potential), has attracted attention. Based on this, this project focuses on the fabrication of 60-channel MEAs for future use (in vitro recording and stimulation) with cultured neuronal networks. Therefore, initially, it was produced a set of masks that contain the patterns used in the confection of devices by photolithography technique. Next experimental procedure shows the microfabrication steps of two test prototypes called MEA1 and MEA2. We present the steps to form the interlayer, and photolithography steps for electrodes, tracks, contact pads and passivation fabrication, and finalization of the prototype with the placement of a glass ring. Thus, with the finished device, characterization thereof was performed. Among the tests used are: (1) sample characterization by optical microscopy and atomic force microscopy; (2) Noise analysis on the electrodes by the amplitude of the recorded electrical potentials with the addition of saline and scan of the RMS value of the signal; (3) electrical stimulation test; and (4) Electrodes test (Cyclic voltammetry and Impedance Spectroscopy). Noise test resulted in electrodes from MEA1 with good results, showing compatible levels with standard MultiChannel Systems (MCS). MEA2 showed similar results to the MEA1. For all tests, measured amplitudes were 10-20µVp-p. When stimulation test was performed, applying signal with amplitude of 0,5mVp-p that simulates obtained signal in a conventional electrocardiogram, same electrodes that responded favorably in noise test also showed good results, showing a very close signal to the injected electrocardiogram by the function generator, but with lower amplitude equal to 0,33mVp-p. Regarding the Cyclic Voltammetry test, resulting curves of produced MEAs showed similar forms to the curve of MEA from MCS, but with higher current density, about a difference of an order of magnitude, and this was confirmed with Charge Storage Capacity values. MEAs 1 and 2 showed 0,63 mC.cm-2 e 0,64 mC.cm-2, while commercial MEA, 0,05 mC.cm-2, with potential window of -1V to +1V. Finally, Impedance Spectroscopy test showed that the results of the electrodes which work are very close to those found for Impedance Spectroscopy MEA from MCS, since MEAs 1 and 2 showed impedance at 1kHz of ~41k? and ~142k?, respectively. Therefore, this master thesis presents successfully the implementation of MEAs, from the development of the mask; the microlithography processes steps to obtain MEAs to the performed tests with functional microelectrodes Agência de fomento: Agência de fomento: Mestrado Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica Mestra em Engenharia Elétrica CAPES

Orientadores: Jacobus Willibrordus Swart, Roberto Ricardo Panepucci Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: Este projeto de doutorado visa a produção de uma nova versão de Matrizes de Microeletrodos (MEAs) de alto desempenho, produzidas de forma customizada e empregadas para estudos de redes neurais in vitro. Tais dispositivos são compostos por eletrodos de grafeno (crescido por Deposição em Fase Vapor sobre folha de cobre e transferido ao substrato), e isolação de dióxido de silício, sobre substrato de vidro, geradas sem a utilização de máscaras, através da técnica de escrita direta a laser. Como resultado, duas gerações de MEAs foram fabricadas e caracterizadas, exibindo especificações elétricas e biológicas apropriadas para sua aplicação. Verificou-se que a resposta referente às MEAs discutidas nesta tese apresentou significativas melhorias quando comparada com àquelas presentes em estudos encontrados na literatura, principalmente com relação à carga que nossos microeletrodos são capazes de armazenar e aplicar na cultura celular durante pulsos estimulatórios. O nível de ruído foi inferior à 10 µV em ambos os dispositivos, enquanto a Capacidade de Injeção de Carga, que é calculada a partir da curva de Voltametria Cíclica, foi muito superior tanto quando comparada com MEAs comerciais (0,054 mC/cm²) como com MEAs com microeletrodos padrões de nitreto de titânio (TiN) produzidas durante o projeto de mestrado (0,63 mC/cm²). Para os nossos dispositivos, os valores médios foram de 0,67 ± 0,009 mC/cm² e 19,7 ± 0,025 mC/cm². Adicionalmente, o segundo dispositivo produzido também é significativamente superior também quando confrontado com os dados divulgados na literatura, cujo melhor resultado foi 3,1 mC/cm². Com relação à Espectroscopia de impedância, a resposta verificada para as nossas MEAs de grafeno também foi superior. O valor médio da impedância para a frequência de 1 kHz foi de 28,65 ± 3,98 k'omega' e 73,95 ± 3,84 k'omega', para as versões 1 e 2, respectivamente, que são valores compatíveis com os apresentados por MEAs comerciais padrão da MultiChannel Systems (30-400 k'omega'), além de ser melhor que aquele obtido para MEAs produzidas durante o projeto de mestrado, cujo valor foi 141,60 ± 5,27 k'omega'. Por fim, o teste de biocompatibilidade mostrou que a MEA produzida é adequada para realizar medidas de potenciais celulares, não induzindo efeitos tóxicos sobre as células. Consequentemente, nós conseguiumos fabricar um novo modelo de MEA com microeletrodos transparentes, com grande CIC e baixos níveis de impedância e ruído de grafeno com resposta altamente superior àquela encontrada para as MEAs comerciais e divulgadas na literatura. Com isso, trata-se de um dispositivo adequado para atuar como interface bioeletrônica no estudo de redes neurais tanto para estimulação quanto para medição dos potenciais elétricos (espontâneos ou induzidos) das mesmas Abstract: This PhD project aims to produce a new version of high performance, custom made Microelectrode Arrays (MEAs), applied for in vitro neural network studies. Such devices are composed of graphene electrodes (grown by Chemical Vapor Deposition on copper foil and transferred to the substrate), and silicon dioxide passivation on glass substrate, generated without the use of masks, through laser direct writing technique. As a result, two generations of MEAs have been manufactured and characterized, exhibiting appropriate electrical and biological specifications for their application. It was found that the response of the MEAs discussed in this thesis improved when compared to those shown in studies in the literature, especially the charge that our microelectrodes are capable of storing and applying to cell culture during stimulatory pulses. Noise level was below 10 µV for both devices, while Charge Injection Capacity, which is calculated from the Cyclic Voltammetry curve, was much higher if compared to commercial MEAs (0.054 mC/cm²) and MEA with standard titanium nitride microelectrodes (TiN) produced during the master¿s project (0.63 mC/cm²). For our devices, the mean values were 0.67 ± 0.009 mC/cm² and 19.7 ± 0.025 mC/cm². Additionally, the second device produced is also significantly better also when compared to data published in the literature, whose best result was 3.1 mC/cm². Regarding impedance spectroscopy, the response verified for our graphene MEAs was also superior. The average impedance value at 1 kHz was 28,65 ± 3,98 k'omega' and 73,95 ± 3,84 k'omega' for the first and second versions, respectively, which are values compatible with those presented standard commercial MEA from MultiChannel Systems (30-400 k?), and are better than those obtained for MEAs produced during the master¿s project, whose value was 141.60 ± 5,27 k'omega'. Finally, biocompatibility test showed that our de-vice is adequate to measure cellular potentials, not inducing toxic effects on cells. Consequently, we were able to produce a new model of MEA with transparent microelectrodes, with high CIC and low impedance and graphene noise levels with highly superior response to that found for commercial MEAs published in the literature. Thus, it is a suitable device to act as a bioelectronic interface in the study of neural networks for both stimulation and measurement of their electrical potentials (spontaneous or induced) Doutorado Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica Doutora em Engenharia Elétrica CAPES 88882.329438/2019-01, 1555137