Questa attività è connessa con lo sviluppo di interfacce e sistemi intelligenti in grado di implementare il sensing e la trasduzione di segnali provenienti da parti del corpo di esseri viventi, e all’interfacciamento di questi segnali con elementi computazionali (ad esempio, utilizzo di strumenti per l’AI, quali machine learning) e attuatori finalizzati alla loro elaborazione. L’innovazione dei materiali a basso impatto ambientale (approccio di “green chemistry”) con proprietà multifunzionali e versatilità in termini di integrazione in architetture dispositivistiche, così come i metodi di fabbricazione innovativi basati su tecnologie pulite, quali la stampa 3D da inchiostri, paste e filamenti, sono tutti temi di una ricerca che include applicazioni nell’ambito della salute e benessere, dell’agroalimentare e dell’ambiente.
La nostra piattaforma d'elezione per l’implementazione dei suddetti meccanismi di trasduzione consiste nel Transistor Organico Elettrochimico (OECT). Gli OECT sono basati sul polimero altamente conduttivo (in genere il semiconduttore organico di tipo p poli(3,4-etilendiossitiofene) polistirene sulfonato (PEDOT:PSS)), il quale modula la sua conduttività in risposta a una tensione di gate per effetto di processi di dopaggio e dedopaggio del canale in presenza di una soluzione elettrolitica. Questo peculiare comportamento, accoppiato all’alta sensibilità intrinseca dovuta a un’efficiente trasduzione ione/elettrone, permette la progettazione di biosensori “label free” capaci di monitorare un ampio intervallo di biomolecole come acidi ribonucleici, proteine, farmaci, biomarkers per diagnosi precoce attraverso funzionalizzazione con biorecettori quali enzimi, anticorpi, attameri e DNA. In più, i dispositivi realizzati possono monitorare l’attività sinaptica neuronale o la risposta cellulare a stimoli indotti fisiologicamente, artificialmente e l’effetto di specifici farmaci. I dispositivi OECT possono essere integrati in piattaforme complesse quali strutture 3D e sistemi Lab-on-Chip (es. Tumor on Chip) per consentire l’attuazione di studi complessi che richiedono il monitoraggio dell’attività di biosistemi in condizioni predeterminate, quindi in una logica di funzionamento in modalità continua, o real-time. Studiamo anche piattaforme biosensoristiche standard, quali gli elettrodi di tipo screen printed e/o celle elettrochimiche, in cui gli elettrodi di lavoro sono opportunamente modificati per amplificare il riconoscimento di bioanaliti. Inoltre, altro scopo della nostra attività è la ricerca di protocolli di misura dei dispositivi mirati ad aumentare la riproducibilità nella risposta e, quindi, la loro affidabilità in applicazioni reali.
Il PEDOT:PSS, così come i materiali elettroattivi quali organici (es. polianiline) e ibridi organico-inorganico in studio presso i nostri laboratori (es. basati su combinazione di materiali 2D, biopolimeri naturali/sintetici e polimeri conduttivi, quali gli stessi PEDOT:PSS e polianiline), funge anche da adattatore di impedenza. Per questo motivo, i dispositivi basati su di esso e su sue combinazioni sono adatti per registrare biosegnali (per esempio ECG, EEG, EMG) in vivo e in diretto contatto con il corpo umano. A tal proposito, sviluppiamo quindi sistemi di tipo gel-free per acquisizione di biopotenziali autoadesivi su pelle, basati su biopolimeri ed elettrodi stampati con tecniche di stampa 3D per scrittura diretta.
Nel nostro gruppo studiamo anche sistemi peptidici a base di poche sequenze di aminoacidi. Questi sistemi sono utilizzati per implementare metodi per la Computazione non Convenzionale, dato che le loro dispersioni in mezzo acquoso presentano delle oscillazioni collettive che sono responsive a stimoli esterni, quali impulsi di tensione e di radiazione UV-Vis. Inoltre, i peptidi da sintesi assemblati in strutture tipo film sottile sono utilizzati anche per l’implementazione di Elettronica Peptidica e relative applicazioni in sensoristica di gas e biosensoristica.
La nostra attività di ricerca in questo campo ha attualmente lo scopo di:
Investigare e ampliare la gamma di applicazioni bio
Studiare i dispositivi in termini dei loro principi di funzionamento e le loro interfacce per migliorare le prestazioni (sensibilità, selettività, risposta temporale, stabilità nel tempo) dei biosensori in presenza di biomatrici reali complesse, quindi ricche di interferenti
Ingegnerizzare le architetture dei biosensori (es. miniaturizzazione e/o realizzazione di arrays) per applicazioni in vivo
Sviluppare di processi di fabbricazione innovativi e non convenzionali per una più semplice integrazione in uno scenario di applicazione reale
Sviluppare materiali “green” con proprietà multifunzionali, in grado di garantire versatilità in termini di applicazioni diversificate tra loro mediante semplici variazioni di composizione, e relative tecniche di sintesi e fabbricazione.
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