Mechanisms of cellular photostimulation in hybrid interfaces based on organic semiconductors

Hybrid interfaces between organic semiconductors and living tissues represent a new tool for in vitro and in vivo applications, bearing a huge potential, from basic researches to clinical applications. In particular, light sensitive conjugated polymers can be exploited as a new approach for optical modulation of cellular activity. This thesis is focused on the study of the functioning mechanisms of these interfaces, both from the physical point of view and from their ability to stimulate biological cells. In particular, we are interested in understanding how photoexcitation of the active material in the device is able to modulate the membrane potential of cells. First, we review the current strategies used for measuring and controlling bioelectrical activity, with a particular attention paid to optical techniques, and we introduce the biophysical mechanisms behind the instauration of a potential across the plasma membrane of cells. We present a thorough experimental characterization of the hybrid polymer/electrolyte interfaces, in which their spectroscopic, electrical and thermal properties are investigated, delineating the main phenomena that occur at the device surface upon illumination. The possibility of growing HEK-293 cells on these hybrid interfaces is the investigated, and we study the different effects that the device photoexcitation has on the cell membrane potential via patch-clamp analysis. We conclude by wrapping up the results in the context of existing techniques for cell stimulation and by pointing out to future developments, towards the creation of a multi-functional platform for light-controlled cell manipulation, with possible applications in different fields of neuroscience and medicine.

Interfacce ibride tra semiconduttori organici e tessuti viventi rappresentano un nuovo strumento per applicazioni in vitro e in vivo, con grosse potenzialità dalla ricerca di base alle applicazioni cliniche. In particolare, polimeri coniugati sensibili alla luce possono essere impiegati come metodi innovativi di modulazione ottica dell'attività cellulare. Questa tesi si focalizza sullo studio dei meccanismi di funzionamento di queste interfacce, sia dal punto di vista fisico che per la loro abilità di stimolare cellule. In particolare, siamo interessati a capire come la fotoeccitazione del materiale attivo nel dispositivo è in grado di modulare il potenziale di membrana delle cellule. Per prima cosa sono riportate le strategie attuali usate per misurare e controllare l'attività bioelettrica, facendo particolare riferimento alle tecniche ottiche, e venogno introdotti i meccanismi biofisici responsabili dell'instaurarsi nelle cellule di un potenziale ai capi della membrana plasmatica. Viene presentata una caratterizzazione sperimentale approfondita delle interfacce polimero/elettrolita, in cui sono studiate le loro proprietà spettroscopiche, elettriche e termiche, delineando i principali fenomeni che avvengono alla superficie del dispositivo in seguito all'illuminazione. Viene poi esaminata la possibilità di crescere cellule HEK-293 sulla loro superficie e vengono studiati i differenti effeti che la fotoeccitazione di queste interfacce ibride ha sul potenziale di membrane delle cellule mediante analisi elettrofisiologiche. Il lavoro è infine concluso riassumendo i risultati ottenuti in luce delle tecniche esistenti per stimolazione cellulare e indicando i possibili sviluppi di queste interfacce verso la reallizzazione di piattaforme multifunzionali per la manipolazione cellulare mediata dalla luce, con possibili applicazioni in diversi campi delle neuroscienze e della medicina in generale.