Применение электротехнических принципов в биологии представляет собой основной вопрос биоэлектроники, с акцентом на взаимодействие электроники с биологическими системами. В частности, она включает в себя множество применений, использующих преимущества специфических оптоэлектронных и механических свойств органических или неорганических полупроводников, от считывания биомолекул до функциональных субстратов для роста клеток. Среди них значительное внимание привлекают технологии взаимодействия с биоэлектрическими сигналами в живых системах, эксплуатирующих электрическое поле биомедицинских устройств.
- В данном обзоре мы представляем обзор основных областей применения фототрансдукции для стимуляции электрогенных и неэлектрогенных клеток, сфокусированных на платформах на основе фотоэлектричества.
Введение
Устройства биоэлектроники предназначены для зондирования и стимулирования биологических объектов с помощью электричества путем использования интеллектуальных биосовместимых материалов, которые также являются проводящими. В частности, традиционные неорганические проводники, полупроводники и, в последнее время, конъюгированные полимеры нашли широкое применение в разработке биоэлектронных платформ.
Электрические поля могут создаваться как по своей природе, так и при трансдукции, как, например, в фотоэлектрических материалах, где свет может индуцировать генерацию релевантных токов через большую часть фотопроводящего материала. Материалы, в которых это явление происходит, могут быть неорганическими, полностью органическими или гибридными смесями.
В частности, электрические поля могут быть использованы для локального стимулирования клеток и тканей, вызывающих реакции различной природы, например, изменение электрофизиологической активности электрогенных клеток или модулировать определенные клеточные процессы и функции, т.е. полярность, пролиферацию, дифференцировку, в неэлектрогенных клетках.
Например, устройства на основе кремния широко используются для электрических интерфейсов как на микро-, так и нанометрическом уровне с нейронными тканями и, кроме того, вызвали большой интерес к нише фотоэлектрических платформ для имплантатов сетчатки. Однако эти материалы имеют некоторые ограничения в плане гибкости и жесткости в целом, что делает соединение ячейки с устройством все еще не оптимальным.
В последнее десятилетие было разработано новое поколение гибридных или полностью органических, в высшей степени биосовместимых и функционально самодействующих протезов для лечения, среди различных применений, слепоты, предлагающее передовую парадигму взаимодействия фототрансдуктивных материалов с биологическими клетками.
Кроме того, недавно было предложено использовать фотоэлектрические платформы для прямого взаимодействия с неэлектрогенными клетками, такими как фибробласты, с целью запуска их пролиферации и открытия возможности использования таких материалов в качестве оптимального кандидата для заживления ран.
Здесь мы представляем обзор основных применений фотоэлектрических платформ, найденных в последние годы для имитации биологических компонентов со схожими основными функциями, т.е. сетчатки глаза, и, кроме того, мы стремимся подчеркнуть важный потенциал этих материалов для стимуляции клеток в целом.
Электрическое фотопроизводство
Электрическое фотопроизводство — это процесс, посредством которого фотоны преобразуются в электрические сигналы. Например, неорганические полупроводники используются для преобразования света в поток электронов посредством их P-N соединения.
Однако их жесткая природа вместе со слабой биосовместимостью вызывают большое внимание к их органическим аналогам для биомедицинских применений. Органические фотоэлектрические устройства способны доставлять фототоки благодаря генерированию электрических полей, когда свет поглощается в их фотоактивных слоях, состоящих из донора и акцепторного полупроводникового материала. Донорный материал передает электроны, транспортируя дыры, в то время как акцепторный материал забирает электроны и далее транспортирует их.
Как в неорганическом, так и в органическом случае заряды в конечном итоге переносятся на электрод, который может находиться в контакте с биологической клеткой или тканями. Начиная с транспорта носителя на электроде, между устройством и биологическим веществом создается электрическое поле, и эта биоэлектронная связь может модулировать биологические процессы на различных материях масштаба и клеточной архитектуре.
Продолжение следует...