Photoceutic devices for geneless, spatially and temporally selective excitation of cells

The development of non-invasive tools for controlling cell activity is a growing priority in neurotechnology. Conventional approaches, such as electrical stimulation or optogenetics, face limitations in spatial resolution, invasiveness, or genetic manipulation. This thesis explores hybrid optoelectronic platforms based on conjugated polymers as photoactuators for gene-less optical stimulation. Three complementary strategies were investigated. In the first approach, hybrid biointerfaces combining a protypical conjugated polymer, poly(3-hexylthiophene) (P3HT), with silicon nanowires (Si NWs) or zinc oxide nanorods (ZnO NRs) were fabricated and tested against flat ITO/P3HT films. Morphological analysis, chronoamperometry, and photothermal/surface-potential measurements showed enhanced photocurrent and interfacial modulation in ZnO-NR/P3HT compared to flat films, while Si-NW/P3HT exhibited behaviour similar to the ITO/P3HT control. Viability tests with endothelial cells indicated differences across samples, with ITO/P3HT supporting the highest survival. The second part focused on P3HT thin films interfaced with acute hippocampal slices to probe astrocyte–neuron communication. Whole-cell patch-clamp recordings from CA1-region neurons showed that light stimulation increased the frequency of N-methyl-D-aspartate(NMDA)-mediated slow inward currents (SICs), while amplitude and area were unaffected. The effect was absent on glass, dependent on astrocytic Ca²⁺ signalling, and abolished by NMDA receptor blockade, confirming astrocytic origin. Finally, nanoparticles of a thiophene-based, low-bandgap polymer, PCPDTBT, were synthesized by miniemulsion and applied to neurospheres. Their intrinsic fluorescence enabled visualisation of uptake, and optical excitation led to an increased proportion of cells exhibiting calcium traces compared to controls, while the amplitude of individual events remained unchanged. Overall, these results demonstrate the feasibility of conjugated polymers, in different forms (thin films or beads) or in combination with inorganic materials, to mediate light-induced modulation at both extracellular and intracellular levels, supporting their high perspective potential for breakthrough neuromodulation strategies.

Lo sviluppo di strumenti non invasivi per il controllo dell’attività cellulare rappresenta una priorità crescente nel campo della neurotecnologia. Gli approcci convenzionali, come la stimolazione elettrica o l’optogenetica, presentano limitazioni in termini di risoluzione spaziale, invasività o necessità di manipolazione genetica. Questa tesi esplora piattaforme optoelettroniche ibride basate su polimeri coniugati, impiegate come fotoattuatori per la stimolazione ottica priva di geni. Sono state investigate tre strategie complementari. Nel primo approccio, sono state realizzate e testate interfacce bioibride che combinano un polimero coniugato prototipico, il poli(3-esiltiofene) (P3HT), con nanofili di silicio (Si NWs) o nanorod di ossido di zinco (ZnO NRs), confrontandole con film planari di ITO/P3HT. Le analisi morfologiche, le misure di cronamperometria e di potenziale superficiale/fototermico hanno mostrato un incremento della fotocorrente e una maggiore modulazione interfaciale nei campioni ZnO-NR/P3HT rispetto ai film planari, mentre i dispositivi Si-NW/P3HT hanno evidenziato un comportamento simile al controllo ITO/P3HT. I test di vitalità condotti su cellule endoteliali hanno indicato differenze tra i campioni, con ITO/P3HT che ha garantito la sopravvivenza più elevata. La seconda parte ha riguardato film sottili di P3HT interfacciali con sezioni acute di ippocampo, impiegati per analizzare la comunicazione astrocita–neurone. Le misure di patch-clamp in configurazione whole-cell sui neuroni della regione CA1 hanno mostrato che la stimolazione luminosa aumenta la frequenza delle correnti lente in entrata (SICs) mediate dal recettore N-metil-D-aspartato (NMDA), mentre ampiezza e area rimangono invariate. L’effetto è assente sui campioni in vetro, dipende dal segnale di Ca²⁺ astrocitario ed è abolito dal blocco dei recettori NMDA, confermando l’origine astrocitaria del fenomeno. Infine, nanoparticelle di un polimero a basso bandgap a base di tiofene, il PCPDTBT, sono state sintetizzate mediante tecnica di miniemulsione e applicate a neurosfere. La loro fluorescenza intrinseca ha permesso la visualizzazione dell’assorbimento cellulare e, a seguito di stimolazione ottica, si è osservato un aumento della proporzione di cellule che mostrano segnali di calcio rispetto ai controlli, mentre l’ampiezza dei singoli eventi è rimasta invariata. Nel complesso, questi risultati dimostrano la fattibilità dell’impiego di polimeri coniugati, in diverse forme (film sottili o particelle) o in combinazione con materiali inorganici, per mediare una modulazione indotta dalla luce sia a livello extracellulare che intracellulare, evidenziando il loro elevato potenziale prospettico per strategie innovative di neuromodulazione.