Sensori per IOT e Sviluppo Sostenibile
Referente: Coppedè Nicola
Salute e Benessere

Tecnologie indossabili per sport e benessere

L’istituto IMEM ha sviluppato un approccio innovativo verso la sensoristica indossabile, basato sulla integrazione della parte attiva dei sensori in materiali di largo uso, come tessuti o polimeri porosi. Grazie all’utilizzo di tecnologie di funzionalizzazione dei materiali, basate su polimeri conduttori, si sono realizzati biosensori a geometria OECT (Organic Electrochemical Transistor) per il monitoraggio dei fluidi biologici in tempo reale. In particolare, è stata eseguita l’analisi del sudore, per applicazioni di monitoraggio dello stato fisiologico della persona e dello sportivo. Grazie a ulteriori funzionalizzazioni con enzimi o con membrane iono-selettive, con i biosensori tessili indossabili sono stati analizzati in maniera selettiva neurotrasmettitori, come la tirosina, e ioni salini sali, come potassio, calcio e sodio.

wearable sensors 1
wearable sensors 2

Inoltre, sempre grazie alla funzionalizzazione di polimeri porosi con polimeri conduttivi, sono stati realizzati sensori di pressione soft. La struttura interamente polimerica ne consente l'utilizzo in specifici dispostivi indossabili, come ad esempio la soletta di una scarpa. Con queste tecnologie sono infatti stati realizzati dei prototipi di solette attive, in grado di monitorare in tempo reale la pressione del piede in diversi punti, determinando i difetti di postura e di deambulazione della persona.

 


Biomarkers, nanomedicina e drug delivery

La ricerca relativa allo sviluppo di biosensori di interesse nel campo medicale si articola sulla realizzazione e caratterizzazione di dispositivi fabbricati su substrati flessibili, appartenenti alla famiglia dei transistori elettrochimici a base organica (Organic Electrochemical Transistors, OECTs).
La versatilità degli OECTs in termini delle applicazioni possibili è essenzialmente dovuta all'efficiente trasduzione elettronica di segnali ionici che essi sono in grado di implementare. Tali dispositivi, in particolare, rappresentano il candidato ideale per l‘interfacciamento con sistemi biologici, la cui funzione è regolata da segnali ionici, e forniscono inoltre uno strumento essenziale per la realizzazione di biosensori e piattaforme sensoristiche.

interleukin-6 detection by OECTs

I dispositivi realizzati presso l'IMEM sono finalizzati all'implementazione di soluzioni in grado di coprire applicazioni biosensoristiche basate sulla rivelazione di biosistemi mediante l’utilizzo di biomarcatori e probes/primers di interesse nel campo dalla nanomedicina che, data la flessibilità e la biocompatibilità dei materiali utilizzati, sono in grado di fornire strumenti conformabili ed impiantabili. Le architetture dispositivistiche mostrano proprietà che all'occorrenza li rendono integrabili con sistemi per la cura personalizzata, quali i dispositivi per il rilascio controllato ed intelligente di farmaci nei siti predisposti (drug delivery), in previsione della realizzazione di dispositivi per testing Point of Care.

 


Biosensori magneto-plasmonici (MP)

La sensoristica magneto-plasmonica riguarda un nuovo concetto di rivelazione ottica attiva e multifunzionale basata in materiali che esibiscono simultaneamente proprietà ottiche plasmoniche e proprietà magnetiche. Tipicamente questo trasduttore è una nanostruttura ibrida formata da una componente magnetica (ossido o metallo) e una componente plasmonica a base d’Au o Ag. La risposta ottica dovuta alla risonanza plasmonica (Surface Plasmon Resonance, SPR) modula la risposta magneto-ottica caratteristica della componente magnetica e viceversa.
Differentemente dalla rivelazione ottica plasmonica, in riflessione o trasmissione, il concetto di sensing MP sfrutta lo effetto di modulazione della risposta ottica indotto di un campo magnetico esterno. Inoltre, si rileva il segnale MO, in modalità d’effetto Kerr o Dicroismo, e si ottiene una maggiore sensibilità che nella rivelazione plasmonica. 

Il gruppo IMEM lavora in 3 linee:

  • Sviluppo di trasduttori MP in modalità ATR per sensoristica ottica.  Nel IMEM è possibile crescere multi-stratti epitassiali tramite deposizione sputtering con ridotta rugosità e proprietà magnetiche dolce. Questi stratti possono essere utilizzati per la rivelazione di VOC e di marcatori biomedici utilizzando lo effetto Kerr Magneto-ottico. 
  • Sviluppo e studio dell’accoppiamento magneto-ottico in nanostrutture con SPR localizzati. Le correlazioni fra la morfologia e le proprietà magnetica e plasmonica sono state investigate in diverse etero-strutture che combinano componenti d’Au ed ossido di ferro.
  • Ricerca sulla rivelazione magneto-ottica come sistema di rivelazione ottica per la sensoristica.
biosensori mp 1
Immagine di microscopia elettronica di trasmissione di un multistratto Au/Co/Au.
biosensori mp 2
Curve di calibrazione della sensibilità a vapori d’etanolo
biosensori mp 3
Curva di calibrazione per la rivelazione anticorpo-antigene antiBSA-BSA. ΔR e ΔS rappresentano il segnale MO-SPR mentre R è il segnale SPR.

Questa ricerca è correlata alle attività realizzata nell’AdR MAGFUN su “Nanoparticelle magnetiche per applicazione biomediche e nanoparticelle magnetiche”.