Sensori per IOT e Sviluppo Sostenibile - 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.

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.

L’attività sperimentale svolta presso l’IMEM ha consentito lo sviluppo di diverse tipologie di biosensori:

• OECTs integrati in microfluidica per la rivelazione di biomolecole/vettori di interesse per il trasporto e rilascio controllato di farmaci (drug delivery) quali micelle, liposomi e nanoparticelle metalliche opportunamente decorate. Tali sistemi, in aggiunta, sono stati impiegati come laboratori per il monitoraggio dell’evoluzione delle proprietà reologiche di biomolecole predisposte per il trasporto di farmaci (micelle) e delle proprietà elettrochimiche di pigmenti quali l’eumelanina, la cui sovrapproduzione rappresenta un indicatore affidabile della presenza di patologie tumorali.
• Biosensori ad alta prestazione e selettività per la rivelazione di biomolecole proteiche ed enzimi di interesse medicale quali le citochine e la trombina, rispettivamente, con limite di rivelabilità (limit of detection, LoD) in grado di ricoprire l’intervallo fisiologico (livello picomolare). L’implementazione di soluzioni ad alta specificità si avvale di tecniche di funzionalizzazione chimica di interfacce dispositivistiche effettuate mediante l’utilizzo di specifici anticorpi e di acidi nucleici (aptameri). Tali tecniche, in combinazione con l’utilizzo di conduttori 2D a base carbonio (grafene multistrato) ricoperti da nanosistemi metallici agenti come siti funzionali, consentono tra l’altro la realizzazione di sensori in grado di minimizzare la risposta dovuta a falsi negativi.
• Biosensori costituiti da OECTs integrati con sistemi di coltura cellulare (membrane in policarbonato, Transwell™) per lo sviluppo di uno strumento in grado di studiare la risposta di sistemi cellulari. Tali dispositivi si sono rivelati particolarmente adatti nel testare sia l’efficacia di farmaci antitumorali su cellule cancerogene che nel monitorare la risposta cellulare indotta da stress iperosmotico. In particolare, nel primo caso lo strumento proposto permette la discriminazione dei meccanismi di morte cellulare (apoptosi vs. necrosi) dovuta ad azione farmacologica che, a bassi dosaggi di farmaco, è generalmente preclusa ai saggi cellulari standard mentre, nel secondo caso, consente di implementare un’analisi fine e dettagliata dello stato iniziale di raggrinzimento o rigonfiamento cellulare dovuto a variazioni delle condizioni fisiologiche.
• 3D-OECTs realizzati mediante stereolitografia laser per la rivelazione di vapori ed il monitoraggio fine della traspirazione della pelle.
• Nell’ambito di una attività collaborativa con la Camlin Ltd. effettuata nel laboratorio congiunto Camlin-IMEM, si sviluppano mediante tecnologie di Additive Manufacturing (in particolare, Aerosol Jet Printing) elettrodi passivi e attivi amplificanti (con architettura a tre elettrodi tipo OECT) per la registrazione di segnali fisiologici (ECG, EMG). Tali dispositivi sono realizzati su substrati innovativi dalle proprietà adesive basati su materiali biologici biodegradabili e non irritanti qualora posti a contatto con la pelle.