Photoactive polymer systems in aqueous environment: from the 2D to the 3D space

In the latest thirty years semiconducting polymers have been extensively investigated for their optoelectronic properties, reaching in many cases the performance required for commercial applications. Only more recently, they started to attract attention also for devices requiring the exposure to an aqueous environment. Several application fields have been emerging, ranging from photo-electrochemistry to bioelectronics, given the possibility to exploit their optoelectronic properties in saline electrolytes, together with their biocompatibility and their inherent softness and conformability. In particular, systems based on regio-regular poly-hexyl-thiophene (rr-P3HT), a work-horse material for photovoltaics, have been profitably employed for (i) the fabrication of photo-electrochemical cells and for (ii) the modulation of the activity of living systems. In the first case, the creation of free charges upon polymer semiconductor photo-excitation has been successfully employed to sustain reduction/oxidation processes at the polymer/electrolyte interface. In the second case, the use of conjugated polymers as photoactive transducers at the interface with living systems bears the opportunity to trigger the biological component simply by light, without any need for viral transfection. In this scenario, the detailed characterization of hybrid interfaces between conjugated polymers, saline electrolytes and living cells plays a crucial role, since a deep understanding of the processes involved is the only key to further improve the performance of polymer-based devices and to fully uncover all their application potential. This thesis timely investigates the interfacial properties between different rr-P3HT-based systems, aqueous electrolytes and living cells. The dissertation starts with a detailed study of the electrochemical phenomena occurring at the planar rr-P3HT/electrolyte interface, in dark and upon light excitation. The understanding of the interfacial phenomena in simple study cases has been then employed for successful engineering of the device structure, optimized according to the targeted application. We considered two main strategies: (1) implementation of rr-P3HT-based planar devices with charge selective materials; (2) engineering of the rr-P3HT/electrolyte interface by introducing a mesoporous surface topography. We followed the first route for the fabrication of hybrid, highly efficient organic/inorganic photocathodes for hydrogen evolution. Regarding the second strategy, we developed a light-sensitive mesoporous rr-P3HT/electrolyte interface by taking advantage of an all-solution processed fabrication procedure and we compared it with the correspondent planar topography. Interestingly, the mesoporous structure induces two orders of magnitude increase in the device surface area and this increment strongly affects the balance between the capacitive and the faradaic processes occurring at the polymer/electrolyte interface. The study of the bio-organic interfaces between rr-P3HT-based devices and living cells, exploring different conjugated polymer/electrolyte interface architectures, is then reported. We prepare different micro- and nano-structured rr-P3HT surface topographies and we focus our attention on the cell adhesion properties. We test the viability and the electrophysiological activity of both eukaryotic and prokaryotic cells cultured on top, demonstrating that it is possible to selectively increase or reduce the adhesion of specific cell types by employing rr-P3HT microstructures with proper sizes and shapes, without altering the device biocompatibility. The precise control of the cell attachment is very appealing since it may couple the spatial control of the cellular growth with the advantages of the optical stimulation. Furthermore, we study the rr-P3HT/living cells interaction in the nanometer size range, by using rr-P3HT nanoparticles. We explore the effects of rr-P3HT nanobeads photo-excitation on the intracellular calcium ion dynamics, given the central role that calcium ions flux has on cellular signaling, acting both as a signal transducer and as a second messenger. The results highlight a remarkable silencing of the physiological calcium intracellular oscillations, directly related to the illumination of the conjugated polymer nanoparticles. This behavior is preliminarily attributed to a light-induced modulation of cellular physiological and metabolic processes and, given its huge potential application, will be the specific object of further investigation in the next future.

Negli ultimi trent’anni i polimeri semiconduttori sono stati ampiamente studiati per le loro proprietà optoelettroniche, raggiungendo in molti casi le prestazioni richieste per le applicazioni commerciali. Recentemente, hanno iniziato ad attirare attenzione anche per i dispositivi che richiedono l'esposizione ad un ambiente acquoso. Sono emersi diversi campi di applicazione, dalla fotochimica alla bioelettronica, data la possibilità di sfruttare le loro proprietà optoelettroniche in elettroliti salini, unitamente alla loro biocompatibilità e alla loro intrinseca morbidezza e conformabilità. In particolare, i sistemi basati sul poli(3-esiltiofene) regio-regolare (rr-P3HT), un materiale ampiamente utilizzato in ambito fotovoltaico, sono stati impiegati con successo (i) nella fabbricazione di celle fotoelettrochimiche e (ii) nella modulazione dell'attività dei sistemi viventi. Nel primo caso, la creazione di cariche libere dovuta alla foto-eccitazione di polimero semiconduttore è stata impiegata con successo per sostenere processi di riduzione / ossidazione all'interfaccia polimero / elettrolita. Nel secondo caso, l'uso di polimeri coniugati come trasduttori di luce all'interfaccia con i sistemi viventi è molto promettente, poiché fornisce l’opportunità di stimolare la componente biologica semplicemente con la luce, senza bisogno di trasfezione virale. In questo scenario, la caratterizzazione dettagliata delle interfacce ibride tra polimeri coniugati, elettroliti salini e cellule viventi svolge un ruolo cruciale, poiché una profonda comprensione dei processi coinvolti è l'unica chiave per migliorare ulteriormente le prestazioni dei dispositivi basati su polimeri e per sfruttare completamente tutto il loro potenziale applicativo. Pertanto, in questa tesi viene presentata la caratterizzazione delle proprietà di interfaccia tra diversi sistemi basati su rr-P3HT, elettroliti acquosi e cellule viventi. La trattazione inizia con un'indagine dettagliata dei fenomeni elettrochimici che si verificano all'interfaccia planare rr-P3HT / elettrolita, sia in presenza che in assenza di uno stimolo luminoso. La comprensione dei fenomeni di interfaccia ottenuta dallo studio dei sistemi più semplici è dunque sfruttata per la progettazione della struttura dei dispositivi, ottimizzata in base alle diverse applicazioni di interesse. Prendiamo in considerazione due strategie principali: (1) implementazione di dispositivi planari, basati su rr-P3HT, con materiali selettori di carica; (2) implementazione dell'interfaccia rr-P3HT / elettrolita con l’introduzione di una struttura superficiale mesoporosa. Adottiamo il primo approccio per fabbricare fotocatodi ibridi organici / inorganici ad alta efficienza per l'evoluzione di idrogeno. Per quanto riguarda la seconda strategia, sviluppiamo un'interfaccia rr-P3HT / elettrolita mesoporosa e fotosensibile, sfruttando tecniche di fabbricazione da soluzione, e la confrontiamo con la corrispondente architettura planare. È interessante notare che la struttura mesoporosa induce un aumento nell'area superficiale del dispositivo di due ordini di grandezza e che questo incremento influenza fortemente l'equilibrio tra i processi capacitivi e faradaici che si verificano all'interfaccia polimero / elettrolita. Successivamente viene trattato lo studio delle proprietà di interfacce bio-organiche, ottenute accoppiando i dispositivi basati su rr-P3HT con cellule viventi. Prepariamo film sottili di rr-P3HT con strutture superficiali micro e nanostrutturate e focalizziamo la nostra attenzione sulle proprietà di adesione cellulare. Testiamo la vitalità e l'attività elettrofisiologica sia di cellule eucariote che procariote cresciute su tali dispositivi, dimostrando che mediante l’utilizzo di microstrutture di rr-P3HT, di dimensioni e forme appropriate, è possibile aumentare o ridurre selettivamente l'adesione di specifici tipi di cellule, senza alterare la biocompatibilità dei dispositivi. Il controllo dell'adesione cellulare è molto promettente, in quanto consente di unire i vantaggi del controllo spaziale della crescita cellulare con quelli della stimolazione ottica. Inoltre, studiamo l'interazione tra rr-P3HT e cellule viventi su scala nanometrica, utilizzando nanoparticelle di rr-P3HT. Ci concentriamo sugli effetti indotti dalla foto-eccitazione di tali nanoparticelle sulla dinamica intracellulare degli ioni calcio, dato che il flusso di quest’ultimi ricopre un ruolo centrale nei processi cellulari, agendo sia come trasduttore di segnale che come secondo messaggero. I risultati evidenziano un notevole silenziamento delle oscillazioni fisiologiche del calcio intracellulare, direttamente correlate all'illuminazione delle nanoparticelle polimeriche coniugate. Questo comportamento è attribuito in via preliminare alla modulazione dei processi fisiologici e metabolici cellulari indotta dalla luce e, data la sua potenziale importanza in numerosi contesti applicativi, sarà oggetto di studi futuri.