Nanomaterials for cell actuation at low light intensities of NIR light

Abstract

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.

La estimulación eléctrica de tejidos tiene diversas aplicaciones biomédicas. Sin embargo, los electroestimuladores cableados actuales son voluminosos e invasivos. La estimulación celular inalámbrica con dispositivos optoeléctricos puede ser una alternativa para generar actuación local con mínima invasividad. Sin embargo, la mayoría de dispositivos optoelectrónicos para electroestimulación celular utilizan luz visible, limitando las aplicaciones a tejidos superficiales. Por lo tanto, son necesarios nuevos dispositivos optoelectrónicos inalámbricos optimizados para funcionar bajo luz infrarroja cercana (NIR) de baja intensidad dentro de la primera o segunda ventana biológica, con maximiza penetración en los tejidos. La luz NIR también se utiliza en terapias fotodinámicas contra el cáncer. Sin embargo, las típicas moléculas fotodinámicas tienen baja eficiencia en el NIR y poca estabilidad. Para resolver este problema, actualmente se exploran nanomateriales para generar especies reactivas de oxígeno con luz NIR. En esta línea, las nanoestructuras de MoS2 con destacada actividad fotocatalítica en el NIR y biocompatibilidad son agentes prometedores fotodinámicos. En este marco, nos hemos centrado en el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos para estimulación celular inalámbrica y terapia fotodinámica operados con luz NIR de baja intensidad, segura y de alta penetración. El primer dispositivo optoelectrónico se basó en nanohilos de Si/Au con una unión-pn incorporada. Se fabricaron matrices de nanohilos cortos y largos mediante litografía coloidal escalable de bajo-coste. El dispositivo de nanohilos-cortos de Si/Au (unión-pn protegida), mostró un muy buen rendimiento optoeléctrico bajo iluminación de 810nm (primera ventana biológica). Estos nanohilos mejoraron la absorción de luz a través de resonancias híbridas plasmónicas/dieléctricas. Estos dispositivos exhibieron fotovoltajes similares, pero fotocorrientes mucho más altas en comparación a la unión-pn de Si estándar, permitiendo estimulación combinada capacitiva/faradaica. Los nanohilos-cortos de Si/Au mostraron una alta biocompatibilidad con osteoblastos. Aplicando muy baja intensidad de luz (810nm, 4.5µW/mm2), las células demostraron mayor proliferación tras 21 días comparado con células no iluminadas. La actuación desencadenó la activación de canales de calcio dependientes de voltaje, incluso a 1 µW/mm2. Los estudios de diferenciación revelaron un aumento de la fosfatasa alcalina y de depósitos de calcio bajo la acción de la luz. Aunque los nanohilos-cortos de Si/Au produjeron fotovoltajes y fotocorrientes más bajos en la segunda ventana biológica (1050nm), son prometedores para experimentos futuros. Por el contrario, los nanohilos-largos de Si/Au con unión-pn expuesta al electrolito experimentaron una gran caída en el fotovoltaje/fotocorriente. Las estrategias de protección de la unión pn mejoraron las señales optoeléctricas. Los nanohilos-largos se liberaron fácilmente del soporte de silicio al líquido, permitiendo su inyección directa en tejidos o integración en implantes blandos con mínima invasividad. El segundo dispositivo se basó en matrices de nanoagujas de Si/Pt con uniones-Schottky, para estimulación celular en la segunda ventana biológica, mostrando buena respuesta fotoeléctrica, pero requiriendo optimización para mejorar el rendimiento. Se obtuvo similar respuesta mediante iluminación en la cara de nanoagujas o en la cara opuesta de Si plano, debido a su alta transparencia, resultando ventajoso para aplicaciones biomédicas. Los osteoblastos crecieron bien adheridos sobre las nanoagujas. Aunque la iluminación con 1050nm sólo activó el 17% de las células (3.4-veces más que en oscuridad), la biocompatibilidad y potencial de mejora de estos dispositivos son prometedores para futuros estudios. Finalmente, se exploraron nanorreactores de SiO2/MoS2/Cu2O como plataforma fotodinámica en la primera ventana biológica para terapias de cáncer. Los nanorreactores inmovilizados y dispersos demostraron biocompatibilidad. Tras la iluminación con NIR de baja intensidad (660/808nm), se observó una notable disminución en la viabilidad de las células tumorales por las especies reactivas de oxígeno fotogeneradas. Se detectó un mecanismo apoptótico de muerte celular. La internalización de los nanorreactores dispersos fue baja, requiriendo mayor optimización. Este trabajo es prometedor para crear agentes fotodinámicos avanzados en el NIR.

Electrical stimulation of tissues has a wide range of biomedical applications. However, current wired electro-stimulators are bulky and invasive. Wireless cell stimulation with opto-electric devices can be an alternative to generate local actuation with minimal invasiveness. However, most opto-electronic devices for cell electro-stimulation use visible light, limiting the applications to superficial tissues. Therefore, new wireless opto-electronics devices optimized to work under low intensity near infrared (NIR) light within the first or second biological spectral windows, in which light penetration in tissues is maximized, are highly demanded. NIR light is also used in cancer photodynamic therapies. However, typical photodynamic molecules have low efficiency in the NIR and poor stability. To solve this problem, novel nanomaterials are currently being explored to generate therapeutic reactive oxygen species with NIR light. In this line, the narrow bandgap, outstanding photocatalytic activity, and biocompatibility of MoS2 nanostructures position them as promising photodynamic agents. Within this framework, we have focused on the development of different opto-electronic devices for wireless cell stimulation and photodynamic therapy operated with low-intensity, safe, and high penetration NIR light. The first opto-electronic device was based on Si/Au nanowires with an in-built pn junction. Short and long nanowire arrays were fabricated through a cost-effective/scalable colloidal lithography technique. The short-Si/Au nanowires device, featuring a protected pn junction buried in the silicon structure, showed a very good opto-electrical performance under 810 nm illumination (first biological window). The Si/Au nanowires enhanced light absorption through hybrid plasmonic metal/dielectric resonances. These devices exhibited similar photovoltages, but much higher photocurrents compared to the standard flat Si pn junction, thus enabling cell stimulation through combined capacitive/faradaic processes. Si/Au nanowires exhibited high biocompatibility for osteoblast cells. Under very low intensity of 810 nm light (4.5 µW/mm2), cells demonstrated enhanced proliferation over 21 days compared to dark conditions. Photo-induced signals triggered calcium influxes through activation of voltage-gated Ca2+ channels, even at 1 µW/mm2. Differentiation studies revealed increased alkaline phosphatase levels and calcium deposit formation under light actuation compared to dark conditions. Although, short-Si/Au nanowires produced lower photovoltages and photocurrents in the second biological window (1050 nm), they are promising for future experiments. In contrast, long-Si/Au nanowires with exposed pn junction to the electrolyte experienced a large drop in photovoltage/photocurrent. Protection strategies of the pn junction improved opto-electrical signals, showing potential for future studies. Long-Si/Au nanowires easily released from the silicon support to a liquid phase, which can be exploited for direct nanowire injection inside tissues or to develop soft implantable devices with minimal invasiveness. The second opto-electronic device was based on Si/Pt nanoneedle arrays, featuring Schottky junctions for cell stimulation within the second biological window. They exhibited good photo-electrical response although optimization is required for enhanced performance. Similar response was obtained by activation from the nanoneedles or flat silicon sides due to the high transparency of Si, being advantageous for biomedical applications. Osteoblast cells grew well attached on the nanoneedle surface. Although only 17% of the cells were activated upon illumination (3.4-fold increase compared to dark condition), the biocompatibility and potential improvement capacity of the Si/Pt nanoneedle devices make them promising for further studies. Finally, SiO2/MoS2/Cu2O nanoreactors were explored as photodynamic platform in the first biological window for cancer therapy. The immobilized and dispersed nanoreactors demonstrated biocompatibility. Upon low intensity NIR illumination (660/808nm) a remarkable decrease in the viability of bone tumoral cells was observed due to the photogenerated reactive oxygen species. An apoptotic mechanism of cell death was detected. Internalization of the dispersed nanoreactors was low, requiring further optimization. This work offers promising avenues for advanced NIR photodynamic agents.