In recent decades, conjugated polymers have gained increasing importance in the world of electronics. This is due to the specific advantages they are able to offer respect to the inorganic semiconductors: excellent optoelectronic proprieties, possibility of chemical engineering, use of a simple technology and possibility to realize large, light, flexible and cheap devices. More recently, organic conductors and semiconductors have emerged as highly promising materials in the medical sector and for biological applications too. The excellent mechanical proprieties, the charge conduction, which can occur both via electronic and ionic ways, the possibility to be functionalized with biomolecules and the high biocompatibility, represent peculiar features which lack in inorganic semiconductors. In particular, among other possible applications, it has been recently demonstrated that a thin film of conjugated polymer sensitive to visible light, can be used to excite or inhibit the electrical activity of cells or tissues directly connected with their surface. In other words, it is possible to employ organic semiconductors to produce artificial photoreceptors. It has been also demonstrated that polymeric retinal prosthesis implanted in rats lacking photoreceptors are able to reactivate almost completely sensitivity to light. Referring to previous results, the aim of this thesis is to develop alternative approaches for optical stimulation of cell cultures, with the outlook of realizing a new conception retinal prosthesis based on polymeric colloidal systems, which could be potentially injected in situ, that is, where photoreceptors are damaged. If the approach would be proved to be effective, the complexity, the risks and the invasiveness of a surgical implant of a retinal prosthesis could be avoided. In this context, the present work is a preliminary, feasibility study. The characterization of the colloidal system has been performed to study the physical, optical and morphological proprieties of polymeric nanoparticles suspension through numerous experimental techniques (such as Dynamic Light Scattering, Z-potential, Scanning Electron Microscopy, Optical Spectroscopy, Time-Resolved Photo-Luminescence). Moreover, specific assays of cellular viability and fluorescence imaging measurements allowed to obtain information about their biocompatibility and regard the internalization process throughout the cellular membrane. Finally, electrophysiological techniques (patch clamp) have been used to investigate the material-cell interaction from a functional point of view. The results obtained represent the starting point for the validation of the proposed approach and its further optimization in order to realize functional bio-polymeric interfaces.
Negli ultimi decenni i polimeri coniugati hanno conquistato sempre maggior importanza all’interno del mondo dell’elettronica, grazie agli specifici vantaggi che possono offrire rispetto ai semiconduttori inorganici: ottime proprietà optoelettroniche, possibilità di ingegnerizzazione chimica, uso di una tecnologia semplice e possibilità di realizzare dispositivi leggeri, flessibili, di grandi dimensioni e costo limitato. Più recentemente, i semiconduttori e i conduttori organici sono emersi come materiali altamente promettenti anche per applicazioni biologiche e in campo medico. Le eccellenti proprietà meccaniche, la capacità di trasportare carica per via sia elettronica sia ionica, la possibilità di essere funzionalizzati con biomolecole e l’alto grado di biocompatibilità, rappresentano caratteristiche peculiari che non trovano analoghi nella classe dei semiconduttori inorganici. In particolare, tra le altre possibili applicazioni, è stato recentemente dimostrato che film sottili di polimeri coniugati, sensibili alla luce visibile, possono essere utilizzati per eccitare o inibire otticamente l’attività elettrica di cellule o tessuti posti a diretto contatto con la loro superficie. In altri termini, è possibile utilizzare i semiconduttori organici per la realizzazione di fotorecettori artificiali. È stato altresì dimostrato che protesi retiniche polimeriche impiantate in ratti privi di fotorecettori sono in grado di ripristinare quasi completamente la sensibilità alla luce. Basandosi sui risultati precedentemente ottenuti, il lavoro di questa tesi ha come obiettivo lo sviluppo di approcci alternativi per la stimolazione ottica di colture cellulari e, in prospettiva, per la realizzazione di una protesi retinica di nuova concezione. In particolare, sono stati presi in considerazione sistemi polimerici di tipo colloidale, potenzialmente iniettabili in situ al posto dei fotorecettori danneggiati. Se l’approccio si dimostrasse efficace, la complessità, i rischi e l’invasività dell’impianto chirurgico di una protesi visiva potrebbero essere evitati. In questo contesto, il presente lavoro rappresenta uno studio preliminare di fattibilità e caratterizzazione della sospensione colloidale. Molteplici tecniche sperimentali (Dynamic Light Scattering, Z-potential, Scannin Electron Microscopy, Optical Spectroscopy, Time-Resolved Photo-Luminescence) hanno consentito di caratterizzare le proprietà fisiche, ottiche e morfologiche delle nanoparticelle polimeriche. Saggi specifici di vitalità cellulare e misure di imaging in fluorescenza hanno permesso di ottenere informazioni sulla loro biocompatibilità e sul processo di internalizzazione attraverso la membrana citoplasmatica. Infine, sono state utilizzate tecniche di elettrofisiologia (patch clamp) per lo studio dell’interazione materiale-cellula da un punto di vista funzionale. I risultati ottenuti rappresentano il necessario punto di partenza per la validazione dell’approccio proposto e la sua ulteriore ottimizzazione nella realizzazione di interfacce funzionali bio-polimeriche.
Caratterizzazione di nanoparticelle di politiofene e la loro interazione con le cellule viventi
BOGAR, MARCO
2014/2015
Abstract
In recent decades, conjugated polymers have gained increasing importance in the world of electronics. This is due to the specific advantages they are able to offer respect to the inorganic semiconductors: excellent optoelectronic proprieties, possibility of chemical engineering, use of a simple technology and possibility to realize large, light, flexible and cheap devices. More recently, organic conductors and semiconductors have emerged as highly promising materials in the medical sector and for biological applications too. The excellent mechanical proprieties, the charge conduction, which can occur both via electronic and ionic ways, the possibility to be functionalized with biomolecules and the high biocompatibility, represent peculiar features which lack in inorganic semiconductors. In particular, among other possible applications, it has been recently demonstrated that a thin film of conjugated polymer sensitive to visible light, can be used to excite or inhibit the electrical activity of cells or tissues directly connected with their surface. In other words, it is possible to employ organic semiconductors to produce artificial photoreceptors. It has been also demonstrated that polymeric retinal prosthesis implanted in rats lacking photoreceptors are able to reactivate almost completely sensitivity to light. Referring to previous results, the aim of this thesis is to develop alternative approaches for optical stimulation of cell cultures, with the outlook of realizing a new conception retinal prosthesis based on polymeric colloidal systems, which could be potentially injected in situ, that is, where photoreceptors are damaged. If the approach would be proved to be effective, the complexity, the risks and the invasiveness of a surgical implant of a retinal prosthesis could be avoided. In this context, the present work is a preliminary, feasibility study. The characterization of the colloidal system has been performed to study the physical, optical and morphological proprieties of polymeric nanoparticles suspension through numerous experimental techniques (such as Dynamic Light Scattering, Z-potential, Scanning Electron Microscopy, Optical Spectroscopy, Time-Resolved Photo-Luminescence). Moreover, specific assays of cellular viability and fluorescence imaging measurements allowed to obtain information about their biocompatibility and regard the internalization process throughout the cellular membrane. Finally, electrophysiological techniques (patch clamp) have been used to investigate the material-cell interaction from a functional point of view. The results obtained represent the starting point for the validation of the proposed approach and its further optimization in order to realize functional bio-polymeric interfaces.File | Dimensione | Formato | |
---|---|---|---|
2015_12_Bogar.pdf
accessibile in internet per tutti
Descrizione: Bogar Marco, Tesi Laurea Magistrale, file unico
Dimensione
17.5 MB
Formato
Adobe PDF
|
17.5 MB | Adobe PDF | Visualizza/Apri |
I documenti in POLITesi sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
https://hdl.handle.net/10589/115304