Design and engineering of light-driven dynamic films for bioelectronic interfacing

In the realm of neuroelectronics, the challenge lies in achieving finer observations of physiological processes to comprehend neuronal interactions and computations. This necessitates the development of more compliant and biomimetic interfaces for improved integration with biological tissues, enabling finer physiological process observations. Commonly used flat and static electrode interfaces contrast sharply with the dynamic, complex, and three dimensional (3D) extracellular matrix (ECM) in which cells reside. Introducing 3D patterns on electrode surfaces enhances cell-chip coupling, improving the signal recording. Moreover, inorganic electrodes are stiff and rigid, creating mechanical mismatches with softer biological tissues, and they fail to fully capture ionic conduction. This thesis addresses these challenges by focusing on designing and engineering a multi-layer dynamic and stimuli-responsive bioelectronic interface. The system combines light-responsive, deformable polymers like Poly(Disperse Red 1-methacrylate) (pDR1m) with conductive polymers such as Poly(3,4-ethylenedioxythiophene): poly(stirensulfonate) (PEDOT:PSS). pDR1m responds to light, exhibiting 3D surface topography deformation, while PEDOT:PSS facilitates electrical recording and stimulation of cells, offering mixed electronic and ionic conduction as well as good mechanical properties. The potential use of an intermediate Polydimethylsiloxane (PDMS) film to improve layer adhesion is also explored. The individual and multi-layer samples were first optimized for spin coating manufacturing, and then thoroughly characterized to investigate their thickness, morphology, optical and electrochemical properties. Patterning of pDR1m-based samples was carried out using laser scanning confocal microscopy and a Lloyd’s mirror interferometer. The pDR1m\PEDOT:PSS sample demonstrates promising morphological and conductive properties, and the presence of PEDOT:PSS does not alter the absorption spectra of pDR1m. The multi-layer approach also supports efficient inscription of 3D surface reliefs without damaging the conductive layer. In conclusion, this work successfully designs conductive and dynamic light-driven films, which showcase good potential for bioelectronics and neuroelectronic interfaces. These interfaces could lead to enhanced investigations into combined electromechanical stimulation on cells and provide a more biomimetic coupling with biological tissues.

Nel campo della neuroelettronica, la sfida principale consiste nell'ottenere osservazioni più dettagliate dei processi fisiologici per comprendere le interazioni neuronali. Ciò richiede lo sviluppo di interfacce più conformi e biomimetiche per una migliore integrazione con i tessuti biologici. Le interfacce elettrodiche statiche e piatte comunemente utilizzate contrastano nettamente con la matrice extracellulare dinamica, complessa e tridimensionale in cui risiedono le cellule. L'introduzione di modelli 3D sulle superfici degli elettrodi migliora l'accoppiamento cellula-chip, ottimizzando la registrazione del segnale. Inoltre, i materiali inorganici tipici degli elettrodi comunemente utilizzati, risultano rigidi e poco flessibili, contrastando con i tessuti biologici, e non riescono a catturare completamente la conduzione ionica. Questa tesi affronta queste sfide concentrandosi sulla progettazione di un'interfaccia bioelettronica e dinamica a piú strati. Il sistema combina polimeri deformabili e reattivi alla luce, come il pDR1m, con polimeri conduttivi come il PEDOT:PSS. Il pDR1m risponde alla luce, esibendo una deformazione della topografia superficiale 3D, mentre il PEDOT:PSS facilita la registrazione del segnale elettrico e la stimolazione delle cellule, offrendo una conduzione mista elettronica e ionica, oltre che buone proprietà meccaniche. È stato inoltre esplorato il potenziale uso di uno strato intermedio di PDMS per migliorare l'adesione tra gli strati. I campioni sono stati prima ottimizzati per la produzione tramite spin coating e successivamente caratterizzati per studiarne lo spessore, la morfologia e le proprietà ottiche ed elettrochimiche. L'inscrizione di topografie 3D tramite luce laser è stata effettuata utilizzando la microscopia confocale a scansione laser e un interferometro a specchio di Lloyd. Il doppio strato pDR1m\PEDOT:PSS dimostra promettenti proprietà morfologiche e conduttive. L'approccio multistrato supporta anche l'iscrizione di rilievi superficiali 3D tramite luce laser, senza danneggiare lo strato conduttivo. In conclusione, questo lavoro è riuscito a progettare film conduttivi e dinamici guidati dalla luce, che mostrano un buon potenziale per la bioelettronica e le interfacce neuroelettroniche. Queste interfacce potrebbero portare a indagini più approfondite sulla stimolazione elettromeccanica combinata delle cellule e fornire un accoppiamento più biomimetico con i tessuti biologici.