Towards photostimulation of muscle contraction : a polyethylene-based substrate as a novel tool for cell alignment

This thesis is located in the field of Bioelectronics, aiming to exploit photostimulation to overcome the limitation of electrode-based methods. The target units of this study are muscular tissue cells. It is presented a novel technique for the fabrication of a flexible, biocompatible and self-standing device which under photostimulation represents a biohybrid actuator with potential applications in robotic and biomedical fields. A substrate made of High Density Polyethylene (HDPE) is fabricated and provided with topographical cues, which induce the cells seeded above it, to grow following a preferential direction, forming the typical fiber structure of muscular cells. It is in fact demonstrated in the literature that spatial order assembly of contractile apparatus enhances performances. First, it is presented a proof of concept that the pattern built over a non excitable substrate induces cell alignment; then a semiconducting photoexcitable polymer Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)) (P3HT) is introduced and its ability to interact with muscular cells grown above is investigated. Aiming to couple the optical properties of P3HT to the mechanical behavior of HDPE, solutions of the two polymers are prepared optimizing their concentration. The final result is a photoactive substrate which induces muscular cell alignment and pave the way to applications in robotic and biomedicine.

Questo lavoro si inserisce nell’ambito della ricerca in bioelettronica, e mira a sfruttare la tecnica di fotostimolazione per superare i limiti dei metodi basati sull’uso di elettrodi. Il principale oggetto di studio di questo progetto sono le cellule costituenti il tessuto muscolare. È stata sviluppata una nuova tecnica di fabbricazione di un substrato flessibile, biocompatibile e self-standing per la realizzazione di un attuatore bio-ibrido fotostimolato. La tecnologia qui sviluppata può trovare applicazioni sia nel campo della robotica sia in quello biomedico. Un substrato costituito da Polietilene ad Alta Densità (HDPE) è fabbricato e "patternato" in modo da indurre le cellule su di esso piastrate a crescere secondo una direzione preferenziale. È infatti dimostrato in letteratura che un’organizzazione spaziale ordinata dell’apparato contrattile incrementi le sue prestazioni. Viene qui riportato prima uno studio di fattibilità relativo all’induzione dell’allineamento su un substrato non eccitabile. A seguire è introdotto un polimero semiconduttore Poly (3-hexylthiophene-2,5-diyl)) (P3HT) fotostimolabile e potenzialmente in grado di interagire con le cellule muscolari cresciute su di esso. Allo scopo di accoppiare le proprietà ottiche del P3HT con quelle meccaniche dell’HDPE sono state preparate delle miscele dei due polimeri allo scopo di ottimizzare le concentrazioni relative. Il risultato finale è un substrato fotoattivo che induce l’allineamento delle cellule muscolari e apre la strada ad applicazioni in robotica e biomedicina.