Light responsive azo-tz-PEDOT:PSS for cell interfacing

Abstract

Nos últimos anos, métodos ópticos não genéticos surgiram como uma abordagem promissora para a estimulação celular. Essas técnicas utilizam substratos condutores fotoativos para desencadear uma resposta nas células por meio do aquecimento localizado ou da geração de carga elétrica, proporcionando uma resolução espaço-temporal e evitando a necessidade de tensões invasivas ou modificação genética (XU et al., 2023). Semicondutores orgânicos do tipo p, especialmente o polímero condutor poli(3,4-etilenodioxitiofeno) sulfonato de poliestireno (PEDOT:PSS), têm despertado grande interesse no campo de estudo de bioeletrônica devido à sua biocompatibilidade, flexibilidade, estabilidade e condução dupla (eletrônica e iônica), cruciais para a integração eficaz com ambientes biológicos (PITSALIDIS et al., 2022). Apesar do progresso alcançado com o PEDOT:PSS puro, sua aplicação na estimulação optoeletrônica de células é limitada pela baixa absorção no espectro UV-visível. Existe uma crescente necessidade de materiais que combinem excelente biocompatibilidade, estabilidade e condutividade com propriedades ópticas aprimoradas para possibilitar uma estimulação celular baseada em luz de maneira eficiente e controlável. Este trabalho visa caracterizar um novo derivado de PEDOT:PSS fotossensível, azo-tz-PEDOT:PSS, que incorpora grupos fotoativos de azobenzeno em um filme de PEDOT:PSS (CORRADO et al., 2023). O objetivo é avaliar seu potencial para interface optoeletrônica orgânica com células, analisando suas propriedades morfológicas, eletroquímicas e fotoeletrônicas. A morfologia dos filmes foi analisada usando microscopia eletrônica de varredura (SEM), microscopia de força atômica (AFM) e medições de ângulo de contato, revelando uma rugosidade de superfície de 24,50 nm. As propriedades eletroquímicas e a estabilidade do material foram examinadas por meio de voltametria cíclica e espectroscopia de impedância eletroquímica em solução salina (DPBS) e em meio de cultura celular, revelando uma capacidade de armazenamento de carga catódica de 1,10 mC/cm2 em DPBS e 1,36 mC/cm2 em meio de cultura celular. A análise da frequência de corte indicou distorção mínima do sinal para componentes de frequência acima de 50,12 Hz em DPBS e 73,99 Hz em meio de cultura celular, sugerindo capacidade de transdução de sinais eficaz. Além disso, sob irradiação UV a 365 nm, os filmes geraram uma fotocorrente sem a necessidade de polarização externa de tensão, demonstrando uma injeção de carga eficaz dependente da composição do eletrólito e da intensidade da luz. Por fim, testes de biocompatibilidade utilizando as linhagens celulares L-929 e precursoras retinianas R28 confirmaram uma citotoxicidade negligenciável, evidenciando o potencial do material para aplicações seguras de interface com células a longo prazo. Os resultados promissores sugerem que os filmes azo-tz-PEDOT:PSS podem ser desenvolvidos ainda mais para explorar a precisão espaço-temporal da luz, proporcionando uma estimulação celular mais controlada. Pesquisas futuras se concentrarão na exploração dos efeitos da corrente fotogerada na atividade celular e na otimização do material para alterar seu comprimento de onda de absorção, de forma a aumentar a profundidade de penetração da luz e a melhorar a biocompatibilidade.

In recent years, non-genetic optical methods have emerged as a promising approach for cell stimulation. These techniques utilize photoactive conductive substrates to trigger a response in cells through localized heating or electric charge generation, offering spatiotemporal resolution and avoiding the need for invasive voltages or genetic modification (XU et al., 2023). Organic p-type semiconductors, particularly the conductive polymer poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS), have earned substantial interest in the field due to their biocompatibility, flexibility, stability, and dual electronic and ionic conduction, which are crucial for effective integration with biological environments (PITSALIDIS et al., 2022). Despite the progress made with pristine PEDOT:PSS, its application in optoelectronic cell stimulation is limited by low absorption in the UV-visible spectrum. There is a critical need for materials that combine excellent biocompatibility, stability, and conductivity with enhanced optical properties to enable efficient and controllable light-based cell stimulation. This study aims to characterize a novel light-responsive derivative, azo-tz-PEDOT:PSS, which incorporates photoresponsive azobenzene moieties into a PEDOT:PSS film (CORRADO et al., 2023). The goal is to evaluate its potential for organic optoelectronic cell interfacing by assessing the morphological, electrochemical, and photoelectronic properties. The morphology of the films was analyzed using scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM) and contact angle measurements, revealing a surface roughness of 24.50 nm. The electrochemical properties and stability of the material were examined through cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy in both saline (DPBS) and cell media, showing a cathodic charge storage capacity of 1.10 mC/cm2 in DPBS and 1.36 mC/cm2 in cell medium. The cut-off frequency analysis indicated minimal signal distortion for frequency components above 50.12 Hz in DPBS and 73.99 Hz in cell medium, suggesting effective signal transduction capabilities. Additionally, upon UV irradiation at 365 nm, the films generated a photocurrent without requiring an external voltage bias, demonstrating effective charge injection dependent on the electrolyte composition and light intensity. Finally, biocompatibility tests using L-929 and retinal precursor R28 cell lines confirmed negligible cytotoxicity, supporting the material’s potential for safe long-term cell interfacing applications. The promising results suggest that azo-tz-PEDOT:PSS films can be further developed to exploit the spatio-temporal precision of light for more controlled cell stimulation. Future research will focus on exploring the effects of the photogenerated current on cellular activity and optimizing the material to shift its absorption wavelength in order to increase light penetration depth and enhance biocompatibility.