Nanomaterials for cell actuation at low light intensities of NIR light

Resum

L'estimulació elèctrica de teixits té diverses aplicacions biomèdiques. Tot i això, els electroestimuladors cablejats actuals són voluminosos i invasius. L'estimulació cel·lular wireless amb dispositius optoelèctrics pot ser una alternativa per generar actuació local amb mínima invasivitat. Actualment, la majoria de dispositius optoelectrònics per a electroestimulació cel·lular utilitzen llum visible, limitant les aplicacions a teixits superficials. Per tant, són necessaris nous dispositius optoelectrònics wireless optimitzats per llum infraroja propera (NIR) de baixa intensitat dins les primera/segona finestres biològiques, amb màxima penetració en teixits. La llum NIR també es fa servir en teràpies fotodinàmiques contra el càncer. Tot i això, les típiques molècules fotodinàmiques tenen baixa eficiència en la NIR i poca estabilitat. Com alternativa, actualment s'exploren nanomaterials per generar espècies reactives d'oxigen amb llum NIR. En aquesta línia, les nanoestructures de MoS2 amb destacada activitat fotocatalítica al NIR i biocompatibilitat són agents prometedors fotodinàmics. En aquest marc, ens hem centrat en el desenvolupament de dispositius optoelectrònics per estimulació cel·lular wireless i teràpia fotodinàmica operats amb llum NIR de baixa intensitat, segura i d'alta penetració. El primer dispositiu optoelectrònic es va basar en nanofils de Si/Au amb unió-pn incorporada. Es van fabricar matrius de nanofils curts i llargs mitjançant litografia col·loidal de baix-cost. El dispositiu de nanofils-curts de Si/Au (unió-pn protegida), va mostrar un molt bon rendiment optoelèctric sota il·luminació de 810nm (primera finestra biològica). Aquests nanofils van millorar l'absorció de llum a través de ressonàncies híbrides plasmòniques/dilèctriques. Aquests dispositius van exhibir fotovoltatges similars, però fotocorrents molt més altes en comparació a la unió-pn de Si estàndard, permetent estimulació combinada capacitiva/faradaica. Els nanofils-curts de Si/Au van mostrar alta biocompatibilitat en osteoblasts. Sota molt baixa intensitat de llum (810nm, 4. 5µW/mm2), les cèl·lules van mostrar més proliferació després de 21 dies comparat amb cèl·lules no il·luminades. L'actuació va desencadenar l'activació de canals de calci dependents de voltatge, fins i tot a 1µW/mm2. Els estudis de diferenciació van revelar augment de la fosfatasa alcalina i de dipòsits de calci sota l'acció de la llum. Tot i que els nanofils-curts de Si/Au van produir fotovoltatges i fotocorrents més baixos a la segona finestra biològica (1050nm), són prometedors per a experiments futurs. Per contra, els nanofils-llargs de Si/Au amb unió-pn exposada a l'electròlit van experimentar una gran caiguda al fotovoltatge/fotocorrent. Les estratègies de protecció de la unió pn van millorar els senyals optoelèctriques. Els nanofils llargs es van alliberar fàcilment del suport de silici al líquid, permetent la seva injecció directa en teixits o integració en implants tous amb mínima invasivitat. El segon dispositiu es va basar en matrius de nanoagulles de Si/Pt amb unions-Schottky, per estimulació cel·lular a la segona finestra biològica, mostrant bona resposta fotoelèctrica, però requerint optimització per millorar el rendiment. Es va obtenir similar resposta mitjançant il·luminació a la cara de nanoagulles o a la cara oposada de Si pla, a causa de la alta transparència, resultant avantatjós per a aplicacions biomèdiques. Els osteoblasts van créixer ben adherits sobre les nanoagulles. Tot i que la il·luminació amb 1050 nm només va activar el 17% de les cèl·lules (3. 4-vegades més que en foscor), la biocompatibilitat i potencial de millora són prometedors per a estudis futurs. Finalment, es van explorar nanoreactors de SiO2/MoS2/Cu2O com teràpia fotodinàmica de càncer a la primera finestra biològica. Els nanoreactors immobilitzats i dispersos van demostrar biocompatibilitat. Després de la il·luminació amb NIR de baixa intensitat (660/808nm), es va observar una disminució notable en la viabilitat de les cèl·lules tumorals mitjançant apoptosis per les espècies reactives d'oxigen fotogenerades. La internalització dels nanoreactors dispersos va ser baixa, requerint optimització. Aquest treball és prometedor per crear agents fotodinàmics avançats al NIR.

Data del Ajut	25 d’abr. 2024
Idioma original	Anglès
Supervisor	Maria del Carme Nogues Sanmiquel (Director/a), Borja Sepúlveda Martínez (Director/a) & Maria Jose Esplandiu Egido (Director/a)