Modelado y simulación de parches de microagujas y sistema de acondicionamiento de señal para Lab-on-chip aplicado al seguimiento de terapia antitrombótica

Abstract

RESUMEN: Actualmente las enfermedades cardiovasculares (ECV) juegan un papel tristemente predominante en el número de muertes en el mundo. Además, las personas que las padecen están constantemente sometidas a la extracción de muestras sanguíneas para la monitorización de estas afecciones. Por ello, se ve necesario el estudio de nuevas metodologías no invasivas que mejoren la calidad de vida de estos pacientes. Entre las distintas alternativas posibles para mejorar el procedimiento diagnóstico, destaca el análisis de biomarcadores presentes en el fluido intersticial. El parche de microagujas desechable se considera a día de hoy una de las técnicas más prometedoras para la extracción de estos biomarcadores. A lo largo de este trabajo de investigación, se ha realizado un estudio del estado del arte del contexto clínico de la terapia antitrombótica, parches de microagujas y biomarcadores en el fluido intersticial, aplicado a la detección de EDVs. También se han modelado distintas alternativas de microagujas por el método de elementos finitos (FEM) con geometrías y materiales diversos en el entorno Ansys Mechanical APDL, consiguiendo un modelo básico de microaguja que permitirá el desarrollo futuro de una herramienta automática de diseño. Además, se ha desarrollado una propuesta basada en la simulación de un circuito de acondicionamiento de señal a implementar en un sistema Lab-on-chip. Para el caso estudiado se ha determinado que el método de medida de impedancia por espectroscopia de impedancia electromecánica es el más adecuado. Una vez elegida esta técnica de detección, se ha llevado a cabo una propuesta a nivel comportamiento del circuito de acondicionamiento de señal, que se ha validado mediante simulación en Simulink/Matlab. También se ha desarrollado un circuito a nivel transistor de la parte inicial del sistema anterior, empleando dos tecnologías distintas de fabricación y que se ha caracterizado por simulación eléctrica bajo el entorno Spice. Ambos modelos han sido evaluados y se ha llegado a la conclusión de que muestran un buen funcionamiento y podrían ser aplicados en una propuesta final.

ABSTRACT: Cardiovascular diseases (CVDs) currently play a sadly major role in the number of deaths worldwide. Besides, people suffering from these diseases are constantly subjected to the extraction of blood samples for the monitoring of these conditions. Therefore, it is necessary to study new non-invasive methodologies that improve these patients’ quality of life. Among the different possible alternatives to enhance the diagnostic procedure, the analysis of biomarkers from interstitial fluid stands out. The disposable microneedle patch is currently considered one of the most promising techniques for the extraction of these biomarkers. Throughout this research project, a state-of-the-art study of the clinical context of antithrombotic therapy, microneedle patches and interstitial fluid biomarkers has been performed, oriented towards the detection of CVDs. Different microneedle alternatives have also been modeled by the finite element method (FEM) with varying geometries and materials in the Ansys Mechanical APDL environment, obtaining a basic model of microneedle that will allow the future development of an automatic design tool. Furthermore, a proposal based on the simulation of a signal conditioning circuit to be implemented into a Lab-on-chip system has been carried out. For the case under study, the Electromechanical Impedance Spectroscopy method, based on electrical impedance measurements, has been determined as the most suitable approach. Once this detection technique has been chosen, a proposal of signal-conditioning circuit has been carried out at behavioral level and it has been validated by simulation under the Simulink/Matlab environment. Besides, a transistor-level circuit for a partial analog front-end of the previous circuit has been developed, using two different fabrication technologies, and it has been characterized by electric simulation under a Spice environment. Both models have been evaluated, reaching the conclusion of a good performance level and, thus, they could be applied to a final proposal.