Conjugated Polymer Surface Switches for Active Cell Control

Conjugated polymers have been found useful in a wide range of applications such as sensors, electrochemical transistors, solar cells, and printed electronics due to their mechanical, optical and electronic properties. An amazing research field has grown during the last three decades since the discovery of conducting polymers in 1976. Since the materials can be made from solutions, different processing methods such as spin coating and vapor phase polymerization can be used to coat a huge variety of substrates. The choice of method depends mainly on monomer solubility and kind of substrate to be coated. During the synthesis the polymers can be chemically modified to tailor their functionalities. Due to this variability in materials and the processability, electronics can be achieved on unconventional substrates such as flexible plastic foils and cell culturing dishes. As a contrast to inorganic, usually metallic materials, conducting polymers are built up from organic compounds in a molecular structure with soft mechanical properties that have shown to be a benefit in combination with biology, ranging from interactions with cells to interactions with advanced biological species such as tissues. This combination of research fields and the possible applications are merged within the field of organic bioelectronics. The primary purpose of this thesis is to give a background to organic electronics in general and how electrochemical devices can be processed and developed for biological applications in particular. An organic electronic surface switch is introduced to control cell adhesion and proliferation as well as an electrochemical transistor to spatially tune the cell adhesion along an electrochemical gradient. To mimic a more natural cell environment a three dimensional fiber substrate was used to design an electronically active matrix to promote nerve cell adhesion and communication. By combining standard microfabrication techniques and conjugated polymers desired patterns of electroactive polymer were created to enable active regulation of cell populations and their extracellular environment at high spatial resolution. Finally, a brief look into future challenges will also be presented. POPULÄRVETENSKAPLIG SAMMANFATTNING Vetenskapen strävar hela tiden efter ökad kunskap om det okända för att öka förståelse och förmågan att kunna påverka det som händer omkring oss. Områden som medicinsk teknik och materialvetenskap är inget undantag. Här har forskningen inom implantat, drug release, kontroll av stamceller så väl som vävnadsodling förändrat våra medicinska möjligheter markant. Den här avhandlingen handlar om plaster som kan leda ström och hur dessa kan användas för att tillverka elektroniska ytor för att aktivt kunna kontrollera hur celler växer samt studera deras beteende, in vitro. Plaster är organiska material bestående av långa polymerkedjor som i sig är uppbyggda av många mindre repeterande enheter så kallade monomerer. Generellt sett är plaster icke-ledande och används flitigt för att isolera material i vår omgivning. Men om den långa polymerkedjan består av ett konjugerat system dvs. omväxlande dubbeloch enkelbindningar så kan materialet fungera som en halvledare. Elektronerna som bygger upp de mindre stabila dubbelbindningarna är rörliga och bidrar till en viss ledningsförmåga. För att öka rörligheten hos dessa elektroner och därmed öka ledningsförmågan i materialet kan polymeren dopas vilket innebär att ämnen som drar till sig eller donerar elektroner tillförs för att ytterligare störa stabiliteten i dubbelbindningarna. Om ett spänningsfält läggs över polymeren så kommer elektronerna att röra sig snabbt längs med kedjan eller hoppa mellan olika polymerkedjor och därmed ge materialet näst intill metallisk ledningsförmåga. Den här upptäckten, som belönades med Nobelpriset i Kemi 2000, har skapat stort industriellt intresse och spekulationer om möjliga tillämpningar och gett upphov till begreppet organisk elektronik. Materialet kan förutom att leda ström ge upphov till elektriska fält och jontransport. Det här är fysikaliska egenskaper som givetvis går att uppfylla med befintliga metaller men där ledande polymerer generellt erbjuder betydligt mera biovänliga kontaktytor till sin omgivning. Ledande polymerer är även relativt billiga, enkla att processa på önskade substrat, kräver låg styrspänning, har uppskattade mekaniska och fysikaliska egenskaper samt att deras funktioner går att skräddarsy med traditionell synteskemi. Mycket har hänt inom området för organisk elektronik i kombination med biologiska system sedan tidigt 90-tal och ännu mera kommer att hända framöver. Kunskaper inom traditionell halvledarteknik och elektronik kombineras med naturvetenskap vilket öppnar upp för spännande möjligheter. Här i gränslandet möts fysiker och kemister som utvecklar material och skräddarsydda strukturer med biologer och medicinare som studerar cell system. Cellers naturliga mikromiljö utgörs av mönster, topografier samt kemiska och biofysikaliska ledtrådar som är väl definierade i tid och rymd. Inom medicinsk teknik är det en utmaning att förstå och härma de biofunktionaliserade ytorna in vivo för att kunna kontrollera celladhesion och differentiering genom att isolera enskilda celler såväl som multicellulära system in vitro. Här vore det av intresse att kunna skapa funktionella och dynamiska material vars ytegenskaper är lätta att förändra och anpassa. I denna avhandling undersöks hur organisk elektronik kan användas för att fylla ett hålrum i detta växande fält av efterfrågad kontroll på protein adhesion, cell mobilitet, kontrollerad signalering och celldifferentiering. Genom att lägga på en spänning över en ledande polymeryta kan vissa av dess egenskaper ändras på ett kontrollerat och reversibelt vis. I samtliga experiment i avhandlingen används den ledande polymeren PEDOT som har visat sig vara ett lämpligt material för bioapplikationer. Den uppvisar god ledningsförmåga, fungerar med ett spektrum av olika dopjoner samt är lätt att processa med olika metoder för att passa diverse typer av substrat. PEDOT är stabil i luft och arbetar i jonlösning vilket är den naturliga miljön för de flesta biosystem. Med hjälp av diverse mikrofabrikationsmetoder går det att skapa smarta ytor med reproducerbara geometrier samt funktionaliteter med god upplösning för cell system in vitro. Metoder som är väl utvecklade och etablerade för traditionell halvledarteknologi. Här kan t.ex. fotolitografi, plasma etsning, mjuk litografi, ink-jet och olika tryckmetoder nämnas. Med dessa metoder går det att tillverka strukturer i mikrooch submikrometer skala för spatiell kontroll av proteinoch celladhesion. För att modifiera ett materials biokompabilitet kan statiska ytegenskaper mönstras genom att fästa naturliga eller syntetiska biomolekyler som ankare alternativt genom att kemiskt ändra ytegenskaperna på materialet. Här presenteras metoder för att tillverka och mönstra ledande polymerer på substrat där ytfunktionen, likväl som cellens microsystem, kan ändras dynamiskt och reversibelt genom att lägga på en spänning över materialet. Förhoppningen är att fundamental information från väl kontrollerade cell system in vitro ska leda till ökad förståelse och framgångar inom utvecklingen av medicinska implantat och kretsar med förbättrad läkning och beteende in vivo.