Opto-magneto-electrical nanoactuators for wireless cell stimulation
- Autores: Yue Zhang
- Directores de la Tesis: Borja Sepúlveda Martínez (dir. tes.), Jaume Esteve Tintó (codir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2020
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Alejandro Rodolfo Goñi (presid.), Albert Romano Rodríguez (secret.), Maria del Mar Alvarez Sanchez (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Nanociencias por la Universidad de Barcelona
- Materias:
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- Resumen
Los tratamientos clínicos basados en la estimulación eléctrica de células excitables han sido eficaces y ampliamente utilizados para una variedad de enfermedades. Sin embargo, estos dispositivos a menudo están limitados por su volumen, la necesidad de electrodos con cableado externo y la incapacidad de actuar en células específicas. Los dispositivos implantables que pueden convertir la energía óptica o magnética en estímulos localizados eléctricos o térmicos para activar las células, son alternativas prometedoras debido a su mínima invasividad, capacidad para estimular células de forma inalámbrica con alta resolución espacial y temporal.
Este proyecto de Tesis se ha centrado en el diseño racional y la fabricación de nanomateriales opto-eléctricos y magneto-opto-eléctricos de alto rendimiento para la estimulación celular inalámbrica. Actualmente, los estimuladores opto-eléctricos generalmente requieren luz visible de baja penetración en los tejido y altas intensidades, lo que limita su aplicación a implantes muy superficiales, y que incluso podrían causar daño tisular debido al calentamiento térmico excesivo. Por lo tanto, todavía es necesario aumentar drásticamente la eficiencia de actuación de los dispositivos implantables actuando en las ventanas biológicas del infrarrojo cercano (NIR) para lograr una actuación maximizada y segura en tejidos más profundos. Por otro lado, aunque el campo magnético puede penetrar a través de los tejidos sin atenuación, los estimuladores magnético-eléctricos generalmente proporcionan una pobre precisión espacial y temporal de las actividades celulares inducidas. Por lo tanto, es necesario conseguir estimuladores magneto-eléctricos con una resolución espacial más alta, más eficiente, y con una actuación de respuesta más rápida. En esta Tesis, se han desarrollado dos tipos de nanomateriales opto-eléctricos y magneto-opto eléctricos para superar estos desafíos.
El primer nanomaterial que fue estudiado y desarrollado está basado nanoestructuras de Si/Au para conseguir estimulación opto-eléctrica en la primera y segunda ventanas biológicas con intensidades de luz ultra-bajas. Comenzamos con el diseño racional y el análisis de las propiedades ópticas y electrónicas de las nanoestructuras de Si/Au a través de la combinación de simulaciones de diferencias finitas en el dominio temporal (FDTD) e ingeniería de banda de semiconductores, con el objetivo de maximizar la eficiencia de captura de luz, la separación de cargas fotogeneradas y la inyección de carga en la solución electrolítica. Las simulaciones de FDTD predijeron que los nanopilares de Si cubiertos por nanodiscos de Au presentan una amplificación de un factor 6 en la absorción de luz en comparación con la oblea de Si, para una longitud de Página 4 de 5 onda alrededor de 800 nm, esto es, dentro de la primera ventana biológica (650-900 nm). Este aumento se debe a la excitación de unas nuevas resonancias híbridas de metal/dieléctrico que permiten un gran aumento de la intensidad de campo electromagnético en la interfaz Si/Au y dentro del nanopilar Si. Cabe resaltar que el incremento del diámetro de los nanopilares permite un corrimiento hacia el rojo de las resonancias, lo que permite amplificar la absorción también en la segunda ventana óptica (950-1100 nm).
A continuación, se realizó un exhaustivo análisis de la respuesta opto-electro-química de nanoestructuras comparando nanodiscos de Au, nanopilares cortos (altura 350 nm) de Si/Au, nanopilares largos (altura 1 μm) de Si/Au sobre uniones p-n, con respecto a la oblea de Si con unión p-n. Se utilizó iluminación de luz pulsada y sinusoidal de 808 nm de longitud de onda en presencia de una solución salina similar a las condiciones fisiológicas. Los nanopilares cortos de Si/Au que solo exponen la región n al electrolito dieron el mayor rendimiento opto-eléctrico, logrando un fotovoltaje de 80 mV a una intensidad de luz ultrabaja de 0.44 μW/mm2, que fue 11 veces mayor que la oblea de Si con unión p-n. Cabe destacar que esta intensidad de luz es casi 3 órdenes de magnitud menor que la intensidad más pequeña reportada para la estimulación celular, que normalmente requiere voltajes alrededor de los 70-100 mV. La fotocorriente promedio en el nanopilar corto de Si/Au también mostró una mejora sustancial de un factor 2.5 con respecto a la oblea de Si, mostrando una combinación de fotocorriente capacitiva y Faradaica que se pueden sintonizar con la densidad de los nanopilares de Si/Au. En contraste, a pesar de que los nanopilares largos de Si/Au presentaban la mayor absorción óptica teórica, estos mostraron la peor respuesta opto-eléctrica, debido principalmente a la rápida recombinación de carga causada por el cortocircuito de la unión p-n expuesta al electrolito conductor, y al mayor número de defectos superficiales. Además, los nanopilares cortos de Si/Au también proporcionaron el mayor voltaje y fotocorriente para el rango de frecuencia de 1 a 50 kHz, mostrando una ventana de frecuencia de 50-200 Hz para maximizar el voltaje y la fotocorriente para la estimulación celular eficiente.
Los nanopilares cortos de Si/Au presentaron una amplificación aún mayor de la respuesta opto-eléctrica en la segunda ventana biológica con láser de longitud de onda de 1064 nm, logrando una fotovoltaje de 90 mV a una intensidad tan baja como 0.45 μW/mm2, que fue 40 veces mayor que la de la oblea de Si con unión p-n.
Finalmente, la biocompatibilidad de las nanoestructuras de Si/Au fue validada por los ensayos de viabilidad celular. Estos resultados sugieren el potencial de los dispositivos nanoestructurados de Si/Au como una alternativa terapéutica prometedora para la actuación opto-eléctrica eficiente en tejidos más profundos con luz infrarroja.
En segundo gran bloque de este trabajo presentamos un nuevo material nanoestructurado de FeGa/ZnO que permita responder simultáneamente a señales ópticas y magnéticas, para convertir la energía entregada en estímulos eléctricos locales y rápidos, con el objetivo de mejorar la versatilidad y la intensidad de actuación remota “wireless”. El nanomaterial de FeGa/ZnO está compuesto por matrices de nanocúpulas huecas de FeGa/ZnO integradas en capas elastoméricas flexibles y biocompatibles. El principio de operación propuesto para la estimulación magneto-eléctrica se basa en la magnetostricción de la capa de FeGa para generar una deformación mecánica por un campo magnético externo al cambiar la dirección de la imanación. Esta deformación se transfiere inmediatamente a la capa piezoeléctrica de ZnO para inducir un cambio de voltaje a través de sus propiedades piezoeléctricas.
Página 5 de 5 Además, para la estimulación opto-eléctrica, se propone aprovechar la intensa absorción de luz NIR a través de la capa de FeGa para permitir generar un aumento de temperatura local que se transfiere a la capa de ZnO. Este aumento de temperatura del ZnO podría inducir una respuesta piroeléctrica para generar la estimulación eléctrica. En primer lugar, realizamos una optimización del comportamiento magnético de las nanocúpulas de ZnO/FeGa/ZnO con diferentes diámetros y distribución. Los resultados revelaron que las matrices hexagonales compactas de ZnO/FeGa/ZnO con nanocúpulas de 400 nm de diámetro proporcionaron el campo magnético de saturación más bajo y una remanencia mínima, lo cual es esencial para permitir una actuación simple con campos magnéticos pulsados. Además, mostramos que el ataque con SF6 no afectó el comportamiento magnético de la capa de FeGa, por lo que la capa superior de ZnO se eliminó para proporcionar una menor rigidez a las nanoestructuras que permita una mayor deformación magnetostrictiva. El análisis de las propiedades fototérmicas de las nanoestructuras de FeGa/ZnO optimizadas magnéticamente mostró un intenso calentamiento óptico para ambas longitudes de onda de luz de 808 nm y 1064 nm, lo que está de acuerdo con la estimación teórica de FDTD de la absorción de luz con alto ancho de banda. Finalmente, se probó la biocompatibilidad de las nanocúpulas de FeGa/ZnO integradas en la película PDMS mediante la evaluación de la viabilidad en células de hueso Saos-2 cultivadas en las muestras. Por lo tanto, las matrices de nanocúpulas de FeGa/ZnO son nanomateriales prometedores para fusionar propiedades magnéticas, ópticas y piezo/piroeléctricas para generar cambios de voltaje local mediante campos magnéticos externos y luz NIR pulsados.
En conclusión, los actuadores celulares nanoestructurados de Si/Au y FeGa/ZnO constituyen nuevas plataformas para la modulación electrofisiológica inalámbrica mediante luz NIR y campo magnético. Mirando hacia el futuro, son prometedores como nanoactuadores inyectables e implantables in vivo debido a las posibles optimizaciones, como la fabricación en sustratos flexibles y la funcionalización de su superficie para su unión a tipos celulares específicos, que podrían ser ampliamente aplicables tanto a los estudios biológicos fundamentales como a terapias clínicas.
