Light driven bio-hybrid actuators

The interaction between cells and light is an intriguing field of investigation that is gaining a lot of attention. The high temporal and spatial resolution and low invasiveness make it a competitor to the standard electrical stimulation of cells. Several strategies can be adopted to induce light sensitivity in cells, such as genetic manipulation, metallic nanoparticles, or infrared stimulation. Among the possible candidates, photochromic molecules are an appealing method to transform the optical stimulus into a detectable signal for the cells. Properly functionalized photochromic molecules can dwell in the cell membrane and act as efficient phototransducers that trigger cell responses. When applied to muscle cells, this may lead to a photoinduced contraction of a bio-hybrid element in which the artificial scaffold deforms under the biological force. These light-driven bio-hybrid actuators may be relevant for robotic applications, medicine, or tissue engineering. This thesis explores the possibility of using a phototransducer called Zaipin2 to induce muscle cell contraction. The efficiency of this approach in terms of performance, cell viability, and energy release is provided, along with a comparison with the effect of standard electrical stimulation. Moreover, several strategies to improve the effectiveness of the optical stimulation are provided. Lastly, a possible scale-up of the device to a 3D system is mentioned, showing the steps required to develop a more effective and concrete robot. This work shows that light can be an effective trigger for skeletal muscle cell contraction, with good control of the contraction rate and a low impact on cell viability.

La possibile interazione tra cellule e luce sta richiamando, negli ultimi anni molta attenzione. L’alta risoluzione spaziale e temporale della luce la rende una possibile rivale alla classica stimolazione elettrica che benché molto efficace è spesso invasiva e deleteria per il tessuto biologico. La sensibilità della componente biologica alla luce può essere ottenuta adottando diverse strategie come la manipolazione genetica o tramite l’ausilio di materiali foto attivi. Tra le varie possibilità, l’utilizzo di molecole foto cromiche risulta molto interessante poiché possono trasformare l’impulso luminoso in un segnale riconoscibile dalle cellule. Queste molecole, opportunamente sintetizzate, possono spontaneamente inserirsi nella membra cellulare e agire come stimolo per una qualche azione biologica. Inoltre, se utilizzate assieme a cellule muscolari, possono indurre la contrazione di quest’ultime che sono allora in grado di deformare il materiale su cui sono depositate, o incapsulate, e muovere così tutto il dispositivo. Questi oggetti sono chiamati attuatori bio-ibridi e potrebbero rivestire un ruolo molto importante in vari campi tra cui robotica, medicina e ingegneria rigenerativa. Questo lavoro di tesi studia la possibilità di usare una molecola foto cromica, chiamata Ziapin2, per indurre la contrazione di cellule muscolari scheletriche, analizzando le prestazioni di questo approccio in termini di vitalità cellulare e energia, confrontandolo con la stimolazione elettrica. Indaga inoltre due approcci volti a migliorare i risultati ottenuti e l’efficienza della stimolazione ottica, lavorando su vari aspetti. In ultimo, mostra i primi passi nello sviluppo di attuatori bio-ibridi tridimensionali, mostrando le criticità e potenzialità di questi dispositivi. Questo lavoro si pone come obiettivo di mostrate l’efficacia della stimolazione ottica nell’indurre la contrazione muscolare, sottolineando il suo buon controllo sul ritmo di contrazione e il basso impatto sulla vitalità delle cellule.