Opto-Magneto-Electrical Nanoactuators for Wireless Cell Stimulation

Abstract

Clinical treatments based on electrical stimulation of excitable cells have been efficacious for a variety of diseases. However, these devices are often limited by their bulkiness, need for wiring electrodes and inability to target specific cells. Implantable devices that can directly convert optical or magnetic energy to localized electrical output to actuate cells are promising alternatives. This thesis focused on the development of opto-electric and magneto-opto-electric nanomaterials for wireless cell stimulation. Currently, the opto-electric stimulators usually require low penetration visible light and high intensities, the magneto-electric stimulators usually provide poor spatial and temporal precision. In this thesis, two types of nanomaterials have been developed to overcome these challenges. The first nanomaterial was based on Si/Au nanopillars to achieve opto-electric stimulation in the first and second NIR biological windows with ultralow light intensities. We started with the rational design and analysis, the FDTD simulations predicted that Si nanopillars capped by Au nanodiscs exhibited 6-fold enhancement of the light absorption compared with the plain Si wafer, such enhancement is due to the excitation of novel hybrid metal/dielectric resonances. Next, an exhaustive experimental opto-electric-chemical analysis of Si/Au nanostructures was presented. In particular, the short Si/Au nanopillars gave the highest opto-electric performance, achieving a photovoltage of 80 mV at ultralow light intensity of 0.44 µW/mm2, showing a frequency window of 50-200 Hz to maximize the photovoltage and photocurrent. Finally, the biocompatibility of the Si/Au nanostructures was validated by cell viability assays. The second nanomaterial was composed of arrays of hollow FeGa/ZnO nanodomes integrated onto soft, flexible and biocompatible elastomeric film. The proposed magneto-electric stimulation is based on the magnetostriction of FeGa and the piezoelectricity of ZnO, the opto-electric stimulation is based on the NIR light absorption of FeGa and the pyroelectric response of ZnO. The magnetic behaviour results revealed that the hexagonal-close-packed arrays with 400 nm diameter provided the lowest saturation magnetic field and minimal remanence. The photothermal test showed intense optical heating for light wavelengths of 808 nm and 1064 nm. The biocompatibility was proved by evaluating the bone Saos-2 cells viability. Therefore, the Si/Au and FeGa/ZnO nanoactuators present new platforms for wireless cell modulation through NIR light and magnetic field, which may be broadly applicable to both fundamental biological studies and clinical therapeutics.

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. Esta tesis se centró en el desarrollo de nanomateriales opto-eléctricos y magneto-opto-eléctricos para la estimulación celular inalámbrica. Actualmente, los estimuladores opto-eléctricos generalmente requieren luz visible de baja penetración y altas intensidades, y los estimuladores magnetoeléctricos generalmente proporcionan una precisión espacial y temporal deficiente. En esta tesis, se han desarrollado dos tipos de nanomateriales para superar estos desafíos. El primer nanomaterial se basó en nanopilares Si/Au para lograr la estimulación opto-eléctrica en la primera y segunda ventanas biológicas del infrarrojo cercano con intensidades de luz ultrabajas. Las simulaciones teóricas predijeron que los nanopilares de Si coronados por nanodiscos Au exhiben una mejora de 6 veces en la absorción de luz en comparación con la oblea de Si simple. Tal mejora se debe a la excitación de nuevas resonancias híbridas de metal/dieléctrico. A continuación, se presentó un exhaustivo análisis experimental opto-eléctrico-químico de los nanopilares de Si/Au. Los nanopilares cortos de Si/Au 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 p-n Si simple. La fotocorriente también mostró una mejora sustancial de 2.5 veces, mostrando una combinación de corrientes capacitivas y faradaicas inducidas por la luz que pueden ajustarse con la densidad de los nanopilares Si/Au. Además, los nanopilares cortos de Si/Au mostraron una ventana de frecuencia de 50-200 Hz para maximizar la fotovoltaje y la fotocorriente. Finalmente, la biocompatibilidad de las nanoestructuras Si/Au fue validada por ensayos de viabilidad celular. El segundo nanomaterial estaba compuesto por matrices de nanocúpulas huecas de FeGa/ZnO integradas en una película elastomérica flexible y biocompatible. La estimulación magnetoeléctrica propuesta se basa en la magnetostricción del FeGa y la piezoelectricidad del ZnO. La estimulación optoeléctrica se basa en la absorción de luz infrarroja por el FeGa y la respuesta piroeléctrica del ZnO. Los resultados del comportamiento magnético revelaron que las matrices hexagonales empaquetadas con un diámetro de 400 nm proporcionaron el campo magnético de saturación más bajo y una remanencia mínima. El análisis fototérmico mostró un intenso calentamiento óptico para longitudes de onda de luz de 808 nm y 1064 nm. La biocompatibilidad se demostró evaluando la viabilidad de las células Saos-2 óseas. En conclusión, los actuadores celulares nanoestructurados de Si/Au y FeGa/ZnO constituyen nuevas plataformas para la modulación electrofisiológica inalámbrica mediante luz infrarroja 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.