IMPLANTABLE ORGANIC DEVICES FOR ADVANCED THERAPIES (INNOVATE)

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Hydrodynamic changes imposed by tidal energy converters on extracting energy on a real case scenario

Publication . Pacheco, A.; Ferreira, Óscar

The development on tidal turbine technology is ongoing with focus on several aspects, including hydrodynamics, operation and environment. Before considering an area for exploitation, tidal energy resource assessments in pre-feasibility energy extraction areas must include the relevant characteristics of the device to be used. The present paper uses the momentum source approach to represent a floatable tidal energy converter (TECs) in a coastal hydro-morphodynamic model and to perform model simulations utilising different TEC array schernes by quantifying the aggregated drag coefficient of the device array. Simulations for one-month periods with nested models were performed to evaluate the hydrodynamic impacts of energy extraction using as output parameters the reduction in velocity and water-level variation differences against a no-extraction scenario. The case study focuses on representing the deployment of floatable E35 Evopod TECs in Sanda Sound (South Kintyre, Argyll, Scotland). The range in power output values from the simulations clearly reflects the importance of choosing the location of the array, as slight changes in the location (of <1 km) can approximately double the potential power output. However, the doubling of the installed capacity of TECs doubles the mean velocity deficit and water level differences in the area surrounding the extraction point. These differences are amplified by a maximum factor of 4 during peak flood/ebb during spring tides. In the simulations, the drag coefficient is set to be constant, which represents a fixed operational state of the turbine, and is a limitation of coastal models of this type that cannot presently be solved. Nevertheless, the nesting of models with different resolutions, as presented in this paper, makes it possible to achieve continuous improvements in the accuracy of the quantification of momentum loss by representing turbine characteristics close to the scale of the turbine. (C) 2016 Elsevier Ltd. All rights reserved.

2016-10Journal article

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Extracellular electrical recording of pH-triggered bursts in C6 glioma cell populations

Publication . Rocha, Paulo R. F.; Medeiros, Maria C. R.; Kintzel, Ulrike; Vogt, Johannes; Araújo, Inês; Mestre, Ana L. G.; Mailaender, Volker; Schlett, Paul; Droege, Melanie; Schneider, Leonid; Biscarini, Fabio; de Leeuw, Dago M.; Gomes, Henrique L.

Glioma patients often suffer from epileptic seizures because of the tumor's impact on the brain physiology. Using the rat glioma cell line C6 as a model system, we performed long-term live recordings of the electrical activity of glioma populations in an ultrasensitive detection method. The transducer exploits large-area electrodes that maximize double-layer capacitance, thus increasing the sensitivity. This strategy allowed us to record glioma electrical activity. We show that although glioma cells are nonelectrogenic, they display a remarkable electrical burst activity in time. The low-frequency current noise after cell adhesion is dominated by the flow of Na+ ions through voltage-gated ion channels. However, after an incubation period of many hours, the current noise markedly increased. This electric bursting phenomenon was not associated with apoptosis because the cells were viable and proliferative during the period of increased electric activity. We detected a rapid cell culture medium acidification accompanying this event. By using specific inhibitors, we showed that the electrical bursting activity was prompted by extracellular pH changes, which enhanced Na+ ion flux through the psalmotoxin 1-sensitive acid-sensing ion channels. Our model of pH-triggered bursting was unambiguously supported by deliberate, external acidification of the cell culture medium. This unexpected, acidosis-driven electrical activity is likely to directly perturb, in vivo, the functionality of the healthy neuronal network in the vicinity of the tumor bulk and may contribute to seizures in glioma patients.

2016-12Journal article

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Extracellular electrical transducers for recording signals of cells in culture

Publication . Inácio, Pedro Miguel Cavaco Carrilho Dos Santos; Félix, Rute Castelo; Gomes, Henrique Leonel

The development of instruments and methods for basic neuroscience and cell biology studies has played a significant role in advancing our understanding about fundamental biological process. Most of this knowledge has been gathered through using invasive methods such as the patch clamp method, to study the electrical response of neuronal cells. Recent advancements in microelectronics have revolutionized these studies by enabling non-invasive extracellular electrode recordings using extracellular electrodes know as Microelectrode array (MEAS) technology. This breakthrough has sparked significant interest in the scientific community, as it opens a wider range of applications, including, fundamental studies in neurosciences, drug screening, environmental monitoring, and toxin detection. Microelectrode array (MEA) technology has evolved into a mature technology, and it is widely considered as the gold standard for electrophysiological studies. Nevertheless, MEAs have been primarily optimized to measure excitable cells. Excitable cell is a term used to refer to cells with biological mechanisms that enable them to generate action potentials (APs). Two examples of excitable cells are neurons and cardiac cells. Somatic cells, such as cancer cells, fibroblasts, secretory cells, and epithelial cells, are considered non-electrogenic cell types. Non-electrogenic cells lack the biological mechanisms to generate a response to an electrical stimulus. However, non-excitable cells have other signaling mechanisms that allow them to generate electrical fluctuations. A well-known example are chemical waves which propagate across the cell tissue. Communication process trough chemical waves requires synchronization among a population of cells. Calcium waves are examples of this signaling mechanism. Chemical waves can be detected and recorded using optical fluorescence techniques. However, the optical detection has a few major handicaps. Optical methods require the incubation using fluorescence molecules with a lifetime limited to a few hours. Furthermore, the require microscopes equipped with lasers as well as fast optical detection systems. Additionally, cells are subjected to light pulse, that may interfere with normal cell behavior. Therefore, there is a strong need for an electrical-based technique that detects voltage oscillations generated by chemical waves in real time. This thesis is positioned in this context and aims to fabricate and test devices to record extracellular signals generated by non-excitable cells. The work builds on the group's previous experience, which was crucial in developing the technique for measuring ultra-weak signals with amplitudes as small as a few micro-volts in the millihertz frequency. It is essential to emphasize that the work developed in this thesis is based on the group's previous experience, whose contribution was fundamental for the development of the technique for measuring ultra-weak signals with amplitudes of just a few micro-volts. The group has already demonstrated electrophysiological based devices with an unrivalled detection limit of 20 nanovolts. However, there are still some challenges to be addressed. A critical objective is to minimize the intrinsic noise of the devices using innovative materials, such as conductive polymers and nano−fibrous bacterial cellulose substrates. This improvement will bring the detection limit of the device to low voltages and allow access to faint signals as well as to increase the signal-to-noise ratio (SNR). Other important goal is to establish a clear relation between the electrode geometry and the properties of the native signals generated by the population of cells.

2023-11-10Doctoral thesis

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Ultra-sensitive bioelectronic transducers to monitor electrical activity in cell populations

Publication . Mestre, Ana Luísa Garcias; Gomes, Henrique Leonel; Power, Deborah Mary

O avanço na área da microeletrónica tem permitido a fabricação de matrizes de microeléctrodos (MEAs) planares, que são elétrodos individuais com dimensões tão pequenas quanto uma célula individual. Estas matrizes são comumente utilizadas para medir sinais extracelulares em neurónios, permitindo entender mecanismos de comunicação entre redes de milhares de neurónios. Os neurónios, os cardiomiócitos e as células nervosas têm a capacidade de despoletar potenciais de ação. Este tipo de células, conhecidas como células eletrogénicas ou excitáveis, passam a informação a alta velocidade e desenvolvem a capacidade de gerar oscilações viajantes, conhecidas como potenciais de ação, que podem deslocar-se a uma velocidade de metros por segundo. Por outro lado, células não eletrogénicas ou não excitáveis, como é o exemplo de células epiteliais, utilizam oscilações químicas que viajam a uma velocidade muito lenta através dos tecidos. Um exemplo típico destas flutuações são as ondas ou oscilações de cálcio. As ondas de cálcio são flutuações internas de cálcio que viajam a micrómetros por segundo numa população de células conectada. A flutuação gerada é frequentemente produzida por muitas células que sincronizaram o seu comportamento. As células são classificadas como células não excitáveis ou não eletrogénicas. Esta tese está focada nos sinais bioelétricos extracelulares produzidos por células não eletrogénicas. Este estudo coloca a hipótese que oscilações iónicas, como ondas de cálcio e outras flutuações iónicas geradas por células não eletrogénicas possam induzir flutuações iónicas extracelulares. As flutuações iónicas extracelulares podem ser detetadas por elétrodos extracelulares como oscilações em voltagem. Esta tese examina e discute as propriedades das flutuações elétricas medidas por elétrodos extracelulares em vários tipos de populações de células não eletrogénicas, nomeadamente fibroblastos dérmicos (células da pele) e células C6 gliais. As propriedades destes sinais, como a frequência, duração, forma e sinais com padrões específicos são discutidos em detalhe. Os sinais gerados por células não eletrogénicas tem propriedades especificas, incluindo encontrarem-se dentro da banda de frequência dos milihertz (f<1 Hz), tendo durações no intervalo de segundos e sendo quase-periódicos quando ocorrem atividades intensas. Treinos de sinais padronizados quase periódicos frequentemente apresentam padrões de modulação em amplitude e na frequência. As propriedades dos sinais gerados por populações de células não eletrogénicas estabeleceram dois requisitos no design dos sensores elétricos para medições de eletrofisiologia que são discutidos nesta tese. Primeiramente, na banda de frequência dos milihertz, o ruído base é imposto pelo ruído rosa, também conhecido como 1/f noise. Este tipo de ruído determina o limite de deteção dos sensores elétricos. Estratégias para minimizar este ruído, como a utilização de elétrodos micro-estruturados são discutidas. Em segundo lugar, os sinais de células não eletrogénicas são um resultado de um processo de sincronização celular. A área do elétrodo necessita ser otimizada para medir o número de células envolvidas na sincronização, prevenindo assim medir outros eventos que vão resultar em ruído elétrico. Os resultados eletrofisiológicos são apenas relevantes se fornecerem informação acerca de processos nos quais as células estão envolvidas. Portanto, esta tese induziu tarefas celulares especificas e mediu alterações correspondentes a resultados eletrofisiológicos. Por exemplo, a migração celular foi monitorizada após uma ferida ser feita numa população de células. Esta tese demonstra que diferentes tipo celulares tem diferentes processos migratórios quando estes são medidos em eletrofisiologia. O padrão de migração de células cancerosas pode estar relacionados com a velocidade de migração, enquanto que nas células da pele, o padrão de migração medido através de sinais eletrofisiológicos revela informação acerca dos sinais bioelétricos utilizados pelas células para coordenarem a reparação de uma ferida. Por fim, esta tese discute como é que os sensores elétricos utilizados em eletrofisiologia podem ser utilizados em estudos biológicos fundamentais em células não eletrogénicas e em dispositivos terapêuticos.

2023-09-18Doctoral thesis

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