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Electrically Controlled “Sponge Effect” of PEDOT:PSS Governs Membrane Potential and Cellular Growth

We found that the redox state of PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly-(styrenesulfonate)) is able to influence the electrophysiological properties of the plasma membrane through a “sponge-like” effect on ions, with effects on cell adhesion and proliferation.
Schematic of the interaction between cell and PEDOT:PSS substrate; results of the cell resting membrane potential and swelling properties.

DIFA Authors: F. Amorini (DIFA), I. Zironi (DIFA/CIG), M. Marzocchi (DIFA), I. Gualandi (DIFA), M. Calienni (DIFA), T. Cramer (DIFA), B. Fraboni (DIFA); G. Castellani (DIFA/CIG)

DOI: 10.1021/acsami.6b12480

Links: http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.6b12480 , http://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/acsami.6b12480/suppl_file/am6b12480_si_001.pdf

PEDOT (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) doped with PSS (poly-(styrenesulfonate)) has shown an improvement in biocompatibility among a wide spectrum of cell types, along with the possibility of obtaining biofunctionalized substrates to improve the biotic/abiotic interface, suggesting PEDOT:PSS as an improved electro-ionic interface for a broad range of biomedical applications.

It is known that the variation in oxidation state of conjugated polymers (CPs) impacts on their peculiar physical and chemical properties, such

as topography, wettability, mechanical properties and conductivity. Oxidation or reduction of conducting polymers requires an uptake or release of ionic species from solution to compensate the variation in electronic charge on the polymer backbone. For example, in conducting polymers that contain large polyanions as dopants, such as PEDOT:PSS, reduction triggers an uptake of cations to balance the negative charge of

the immobile polyanions. The increased amount of cations renders reduced PEDOT:PSS films more hydrophilic and can induce swelling in solution.

In the present work we focused our investigation on modulation of PEDOT:PSS ion exchange relative to its redox state. We used the electrophysiological response of the plasma membrane of two different human cell lines as biosensors to indirectly measure ionic activity in the medium directly above the exchanging surface. We then correlated these results with cell adhesion ability and proliferation rate. Our findings indicate that the redox state confers to PEDOT:PSS the property to modify the ionic environment around the cells, through a “sponge-like” effect on ions, with interesting effects on cell behavior.

Tramite il controllo elettrico “dell’effetto spugna” del PEDOT:PSS è possibile influenzare il potenziale di membrana e la crescita cellulare.

Abbiamo scoperto che lo stato redox del PEDOT:PSS (poli(3,4-etilenediossitiofene) poli-(stirenesulfonato)) è in grado di influenzare le proprietà elettrofisiologiche della membrana plasmatica attraverso un “effetto spugna” sugli ioni, con effetti sia sull’adesione che sulla proliferazione cellulare.

Recenti studi hanno dimostrato come il PEDOT (poli(3,4-etilenediossitiofene) arricchito con PSS (poli-(stirenesulfonato)) mostri un miglioramento della biocompatibilità in una vasta gamma di tipi cellulari, oltre alla possibilità di ottenere substrati biofunzionalizzati per migliorare le proprietà dell'interfaccia biotica/ abiotica, facendo diventare il PEDOT:PSS un polimero di riferimento nello studio delle interfacce elettro-ioniche per un'ampia gamma di applicazioni biomediche.
E’ noto inoltre che la variazione dello stato di ossidazione dei polimeri coniugati (CPs) influisce sulle loro particolari proprietà fisiche e chimiche come ad esempio la topografia, la bagnabilità, le proprietà meccaniche e la conducibilità elettrica. L’ossidazione o la riduzione dei polimeri conduttori richiedono un assorbimento o un rilascio di specie ioniche, dalla soluzione in cui sono immersi, per compensare la variazione di carica elettrica sulla catena polimerica. Ad esempio, in polimeri conduttori che contengono grandi poli-anioni come droganti che restano sostanzialmente immobili nella catena polimerica, come nel caso del PEDOT:PSS, la riduzione innesca un assorbimento di cationi per bilanciare la carica negativa situata su questi anioni. La maggiore quantità di cationi rende il film di PEDOT:PSS ridotto più idrofilo e favorisce il suo “swelling” in soluzione.
In questo lavoro abbiamo quindi studiato la modulazione delle proprietà di scambio ionico del PEDOT:PSS in relazione al suo stato redox, e i relativi effetti biologici sulle cellule interagenti con questi substrati. Per far questo abbiamo misurato i parametri elettrofisiologici della membrana plasmatica di due differenti linee cellulari umane, utilizzate come biosensori, per testare l’attività ionica del substrato direttamente a contatto con le cellule. Infine abbiamo correlato questi risultati con alcuni parametri di vitalità cellulare, come la capacità di adesione e velocità di proliferazione. I nostri risultati indicano che lo stato redox conferisce al PEDOT:PSS la proprietà di modificare l'ambiente ionico intorno alle cellule, attraverso un “effetto spugna” sugli ioni, con interessanti conseguenze sul comportamento cellulare.