Development of a perovskite-based interface for biophysical studies

The use of light for the stimulation of living cells and tissues has recently opened a wide range of possible applications in biology, medicine, and robotics. In the last decade, control of neuronal paths or vital functions by means of light-based stimuli, simply referred as photostimulation, has effectively emerged as a valid alternative to the electrical counterpart. Yet, since living cells do not generally possess any specific sensitivity to light, artificially inducing light sensitivity to cells is the primary goal of photostimulation techniques. Here, perovskite-based substrates are proposed as an external phototransducer that translates the light excitation in a proper signal for the cells. A perovskite archetype crystal (CH3NH3PbI3) has been selected as the raw material for the preparation of solar cell-like substrate, given its outstanding optical properties. Then, chemical vapor deposition of Parylene C has been proven as a promising biocompatible alternative to standard inorganic passivation techniques. The compactness and the uniformity of the coating has been shown to be the key for a successful encapsulation, rather than thickness. The so obtained substrate were tested with electrochemical measurements to assess the response of the system in a condition similar to a physiological environment. Also, an equivalent circuit model has been developed to properly interpret the results from electrochemistry. Hence, transient simulations performed with LTspice have been conducted to replicate the experimental conditions and validate the model proposed. The model has been demonstrated to be in good agreement with the experimental results and was useful for the interpretation of the system behaviour. The natural evolution of this study is the approach to cell culture to validate the compatibility of the explored substrates with life. Then, the eventual response of cells to the optoelectronic coupling provided by such substrates has to be further studied and interpreted. This future activity will hopefully shed light on the coupling mechanisms of cell excitation related to the plasma membrane.

L’impiego della luce come sorgente di stimolazione per cellule e tessuti ha recentemente generato un ventaglio di promettenti applicazioni in biologia, medicina e robotica. Nell’ultimo decennio, infatti, il controllo delle vie neurali o delle funzioni vitali per mezzo di stimoli luminosi, definito spesso semplicemente come fotostimolazione, è emerso come potente alternativa alla stimolazione elettrica, per i suoi notevoli vantaggi in termini di invasività, risoluzione temporale e spaziale. Tuttavia, siccome le cellule in genere non possiedono particolare sensibilità alla luce, indurre artificialmente questo tipo di sensibilità è senza dubbio il primo obiettivo di tutte le tecniche di fotostimolazione. In questo studio, substrati di film sottili di perovskite sono stati proposti come fototransduttori esogeni in grado di tradurre l’eccitazione luminosa in un appropriato segnale per le cellule. L’archetipo perovskitico CH3NH3PbI3 è stato scelto come materiale fondamentale per la preparazione di substrati con il comportamento simile a quello di una cella solare. Inoltre, la deposizione conforme di uno strato di Parylene C è stata proposta come metodo di passivazione delle perovskiti, rivelandosi promettente. Quindi, il substrato incapsulato dal polimero è stato sottoposto ad esperimenti di elettrochimica per verificare il suo comportamento in un ambiente che replicasse le condizioni fisiologiche. Un modello di circuito equivalente è stato sviluppato per interpretare meglio i risultati sperimentali. Le simulazioni LTspice hanno confermato in buona parte la validità del modello aiutando a comprendere meglio alcuni aspetti dei fenomeni elettrochimici. I prossimi passi di questa attività di ricerca saranno naturalmente quelli di verificare l’effettiva biocompatibilità dei fototransduttori proposti e studiare l’eventuale risposta delle cellule. Quest’ultima analisi sarà auspicabilmente una pietra miliare importante per una comprensione più profonda dei meccanismi di accoppiamento che regolano l’eccitazione cellulare.