Azobenzene-substituted polymer nanoparticles for living cells stimulation: fabrication and characterization

The use of molecular transducers for light-induced stimulation of living cells holds significant potential in regenerative medicine. In the past, two types of transducers have been used to restore lost functions in living organisms: azobenzenic molecules and conjugated polymer nanoparticles. Two significant examples, respectively, are the Ziapin2 molecule, which is capable of inducing hyperpolarization of the cellular membrane in "in vitro" experiments, and P3HT nanoparticles, which have been shown to restore lost vision due to degenerative conditions in living rats. While these approaches have shown promising results, there remains the possibility to exploit a unified system combining the strengths of both transducers and enabling more accurate control in terms of intensity and spectral selectivity of the stimulation. In this work, the properties of a newly synthesized polymer, combining the features of both systems, have been characterized for potential optoelectronics applications in living organisms. The material was processed to fabricate nanoparticles through nanoprecipitation. These nanoparticles were characterized using optical techniques (UV-VIS, fluorescence, DLS, and ζ-Potential) and surface analysis methods (AFM, SEM). Particular attention was given to the isomerization properties and their impact on the nanoparticles’ morphological and optical features. Moreover, the interaction between the nanoparticles and living cells was investigated through Patch-Clamp experiments and confocal microscopy, yielding insights into their biocompatibility and potential for practical application in cellular stimulation. Finally, the results and future perspectives will be discussed.

L’uso di trasduttori molecolari per la stimolazione di cellule vive mediante luce ha un potenziale significativo nel campo della medicina rigenerativa. In passato, sono stati utilizzati due tipi di trasduttori per ripristinare funzioni perse negli organismi viventi: le molecole azobenzeniche e le nanoparticelle polimeriche coniugate. Due esempi rilevanti, rispettivamente, sono la molecola Ziapin2, capace di indurre l’iperpolarizzazione della membrana cellulare in esperimenti "in vitro", e le nanoparticelle di P3HT, capaci di ripristinare la vista nei ratti, perduta a causa di malattie degenerative. Sebbene questi approcci abbiano ottenuto risultati promettenti, resta la possibilità di sfruttare un sistema unificato che combini i punti di forza di entrambi i trasduttori, consentendo un controllo più preciso dell’intensità e della selettività spettrale della stimolazione. In questo lavoro, sono state caratterizzate le proprietà di un polimero di nuova sintesi, che combina le caratteristiche di entrambi i sistemi, cercandone potenziali applicazioni nell’ambito dell’optoelettronica applicata ad organismi viventi. Il materiale è stato usato per fabbricare nanoparticelle attraverso la nanoprecipitazione. Queste nanoparticelle sono state caratterizzate mediante tecniche ottiche (UV-VIS, fluorescenza, DLS e ζ-Potential) e metodi di analisi di superficie (AFM, SEM). Particolare attenzione è stata dedicata alle proprietà di isomerizzazione e al loro impatto sulle caratteristiche morfologiche e ottiche delle nanoparticelle. Inoltre, l’interazione tra le nanoparticelle e le cellule viventi è stata studiata tramite esperimenti di Patch-Clamp e microscopia confocale, fornendo informazioni sulla loro biocompatibilità e su potenziali applicazioni pratiche nella stimolazione cellulare. Infine, verranno discussi i risultati e le prospettive future.