Bio-polymer interfaces for optical cellular stimulation: a computational modeling approach

The present thesis concerns with the investigation and the mathematical description of the physical processes underlying the behavior of a particular bio-polymer interface device for optical cellular stimulation. Such device is made of a thin slab of P3HT, a photoactive semiconducting conjugated polymer, sandwiched between a cell and a transparent electrode, the whole system being immersed in a physiological solution to allow cell survival during experiments. Despite the fact that measured cell membrane current and potential clearly demonstrate that a significant electrical cellular activity is elicited by light mediated stimulation due to absorption by the polymer, the physical processes driving the induced cellular response are still not fully understood. To fill the gap of a lack of a consistent understanding and of a quantitative description of the device working principles, the present thesis proceeds according to a three-step procedure. In the first step, a systematic classification of performed measurement is carried out, distinguishing between measurements with the sole polymer part of the device and measurements including the cell. In the second step, based on a thorough scrutiny of the two classes of experimental data, an identification of the principal physical phenomena is operated, concluding that electrical and thermal effects play the major role in the overall device function. In the final step, a sound mathematical description is proposed to describe the chain of events that lead from light illumination of the device structure to the generation of a depolarizing signal for the cell membrane. Electrical characterization and the corresponding modeling results consistently indicate that upon illumination, free charges are generated and displaced by an electric field, resulting from the onset of a depleted region at the P3HT/electrode interface, with characteristic time scales dominated by charge trap dynamics. Patch clamp measurements and the corresponding modeling results show instead that temperature increase in the system due to light absorption in the polymer, determines the modification of cell membrane properties, most importantly of its capacitance, leading to cell membrane depolarization. Both phenomena are then compatible with cellular depolarization and this allows us to conclude that while the electric effect is dominant for low illumination intensities, it soon saturates for more intense light stimulation, being replaced by the thermally induced mechanism which instead linearly increases with light intensity.

La presente tesi si occupa dello studio e della descrizione matematica dei fenomeni fisici che sono alla base del funzionamento di un particolare dispositivo bio-polimerico per la stimolazione ottica cellulare. Questo dispositivo è composto da un sottile strato di P3HT, un polimero coniugato semiconduttore e fotoattivo, depositato su un elettrodo trasparente e sul quale è fatta crescere una cellula. Il sistema è poi immerso in una soluzione fisiologica per permettere alla cellula di sopravvivere durante gli esperimenti. Nonostante le misure di corrente di membrana e di potenziale cellulare mostrino chiaramente che una significativa attività cellulare è indotta attraverso una stimolazione luminosa assorbita dal polimero, i processi fisici che determinano la risposta cellulare non sono ancora del tutto compresi. Per sopperire alla mancanza di una profonda compresione del fenomeno e di una descrizione quantitativa dei principi operativi del dispositivo, la presente tesi si sviluppa in tre passi. Nel primo passo, viene svolta una sistematica classificazione delle misure effettuate, distinguendo tra esperimenti nei quali si è considerato il solo substrato polimerico e quelli nei quali anche la cellula è stata inclusa. In un secondo momento, basandosi su una dettagliata analisi dei risultati, i principali fenomeni fisici coinvolti sono identificati, concludendo che effetti elettrici e termici determinano in modo principale il funzionamento del dispositivo. Da ultimo, è proposta una appropriata descrizione matematica della catena di eventi che conducono dall'assorbimento della luce alla generazione del segnale depolarizzante per la membrana cellulare. La caratterizzazione elettrica del dispositivo e la corrispondente modellazione indicano in modo consistente che, conseguentemente all'illuminazione del dispositivo, delle cariche elettriche sono generate nel polimero e trasportate da un campo elettrico dovuto alla presenza di una zona svuotata all'interfaccia tra il polimero stesso e l'elettrodo, con tempi caratteristici dominati dalla dinamica delle cariche intrappolate. Misure patch clamp e i relativi modelli sviluppati, mostrano invece che l'innalzamento della temperatura del sistema dovuta all'assorbimento della luce da parte del polimero determina un cambiamento delle proprietà della membrana cellulare, in particolare della sua capacità elettrica, che porta a una depolarizzazione. Entrambi i fenomeni sono quindi compatibili con il fenomeno di depolarizzazione cellulare e questo permette di concludere che mentre gli effetti elettrici sono importanti a basse intensità di illuminazione, questi saturano per più alti regimi di stimolazione e sono rimpiazzati da meccanismi indotti dall'aumento di temperatura la cui intensità cresce linearmente con l'intensità di illuminazione.