Two-photon assisted direct laser writing of proteinaceous microarchitectures containing plasmonic nanoparticles; characterization and optimization

Metallic nanoparticles, due to their fascinating optical and electrochemical properties, attract the attention of different science and engineering research disciplines. Among these properties, the plasmonic photothermal effect is a notable and exclusive feature of noble-metal nanoparticles that, by today, are exploited through lots of research activities for various purposes, especially for biomedical applications. This optically-tunable phenomenon uniquely increases the flexibility of the optical response of host matrices, by allowing to induce highly localized temperature increases that can be triggered via simple external stimulation device like a light source. Such matrices can be valuable tools in the field of cell treatments and, in general, tissue engineering. In the present study, the two-photon-assisted direct laser writing (DLW) technique was employed to fabricate microarchitectures with the different elastic modulus (80kPa to 800kPa) from a proteinaceous ink composed of bovine serum albumin (BSA), rose Bengal (RB), or methylene blue (MB), and non-spherical symmetric gold nanoparticles (GNPs), with the ability to generate local temperature increase by stimulation in the near-infrared spectral region. The recorded photothermal efficiency measured using focused continuous wave (CW) laser irradiation at 800nm on microstructures loaded with GNPs at low gold atom concentration (1%w/w) reached 12.2 pm 0.4 C/W, that is a record photothermal effect induced from a printed proteinaceous feature. This photo-thermal functionality arising from the GNPs embedded within the fabricated proteinaceous microstructures can then be applied for studying responses of living systems like cells and bacteria cultures under an externally triggered highly localized heat release.

Le nanoparticelle metalliche, grazie alle loro affascinanti proprietà ottiche ed elettrochimiche, attirano l'attenzione di diverse discipline scientifiche e di ricerca ingegneristica. Tra queste proprietà, l'effetto fototermico indotto dalle risonanze plasmoniche, è una caratteristica notevole ed esclusiva delle nanoparticelle di metalli nobili che, ad oggi, vengono già sfruttate per vari scopi, sia per ricerca che, soprattutto, per applicazioni biomediche. Il fenomeno della risonanza plasmonica superficiale, caratterizzato da bande ben definite, fornisce a queste nanoparticelle una notevole la flessibilità nella risposta ottica che si può vantaggiosamente trasferire a matrici polimeriche in cui queste vengano disperse. In particolare, la possibilità di indurre un aumento di temperatura altamente localizzato che può essere attivato tramite un dispositivo di stimolazione esterno come una sorgente di luce, renderebbe tali matrici strumenti preziosi nel campo dei trattamenti cellulari e, in generale, dell'ingegneria dei tessuti In questa tesi, la tecnica di scrittura (photo-cross-link) laser diretta (DLW), attivata da assorbimento a due fotoni, è stata impiegata per fabbricare micro-architetture con il diverso modulo elastico (da 80kPa a 800kPa) a partire da un inchiostro proteico composto da albumina di siero bovino (BSA), un foto-iniziatore (Rose Bengale o blu di metilene) e nanoparticelle d'oro a simmetria non sferica (GNP). Mostriamo qui che la presenza di queste ultime, se opportunamente schermate dall’interazione con il foto-iniziatore, fornisce alle microstrutture foto-polimerizzate la capacità di generare un aumento della temperatura locale mediante stimolazione nella regione spettrale del vicino infrarosso. L'efficienza fototermica misurata sotto l’effetto di radiazione laser focalizzata a 800 nm (in continua) su microstrutture caricate con una bassa concentrazione di atomi d'oro (1% w/w) ha raggiunto 12.2 pm 0.4 C/W, che costituisce un record di effetto fototermico indotto su una microstruttura a base proteica proteinica stampata tramite DLW. La funzionalità foto-termica derivante dalle GNP incorporate nelle microstrutture proteiche fabbricate riveste una notevole potenzialità nello studio delle risposte di sistemi viventi, come cellule e colture di batteri, al rilascio di calore altamente localizzato e controllato sia per quanto riguarda il tempo di irraggiamento che la dose rilasciata.