Organic electronics at the interface with bio-medicine

Il lavoro descritto in questa tesi di Dottorato rientra nel dominio della Bioelettronica Organica. Questo campo, eccezionalmente sviluppatosi negli ultimi anni, unisce diverse discipline, soprattutto Elettronica Organica, che si fonda su semiconduttori a base di carbonio, e la biomedicina, nelle sue connotazioni relative a biosensori e diagnostica. In particolare, questo lavoro ha riguardato lo sviluppo e l'applicazione di dispositivi elettrochimici basati su conduttori organici per il bio-sensing e la bio-elettronica. Tali applicazioni sono volte alla individuazione di molecole e di sistemi di interesse biologico, stress cellulare indotto da farmaci e controllo dell’adesione batterica. Il Capitolo 1 è volto a fornire i concetti teorici su cui si fondano le applicazioni descritte di seguito, così come a giustificare le problematiche e le necessità che mi hanno portato ad essere coinvolto in questo lavoro. In primo luogo, vengono illustrati in dettaglio i concetti alla base dell’Elettronica Organica, fornendo una descrizione delle proprietà fisiche che rendono i semiconduttori organici una classe di materiali estremamente interessante e versatile. Vengono poi descritte le applicazioni di dispositivi a base organica, quali Transistor a Film Sottile Organico, con particolare riguardo ai Transistors elettrochimici organici (OECT), che rappresentano il principale tipo di dispositivo utilizzato nel presente lavoro. Viene anche fornita una panoramica sulla Bioelettronica Organica, con un accento sulle recenti applicazioni degli OECT al bio-sensing e alla biologia cellulare. Questa parte del lavoro procede con la descrizione di argomenti relativi al rilevamento di bio-molecole e sistemi biologicamente rilevanti (melanine e nano- particelle, rispettivamente). Infine, vengono introdotti e discussi biofilm batterici e stress cellulare. Il Capitolo 2 contiene una prima applicazione degli OECT, che ha comportato la rilevazione di una molecola pigmentosa, l’eumelanina. Le proprietà elettriche di quest’ultima sono state studiate anche sfruttando reazioni redox indotte tra essa e l'elettrodo di gate. L'analisi delle misure elettriche ha permesso di ottenere informazioni sulla stabilità e l'evoluzione di questa biomolecola in risposta allo stress elettrochimico. Tali modificazioni devono essere considerate alla base delle peculiari proprietà e del ruolo della melanina all'interno degli organismi biologici. Nel Capitolo 3 viene descrittta una seconda applicazione degli OECT, riguardante la rilevazione e il monitoraggio di nanoparticelle magnetiche funzionalizzate con shell polimeriche (applicabili come sistemi di drug delivery o nell’ipertermia). Il monitoraggio della risposta elettrica degli OECT ha permesso di rilevare tali nano-sistemi in funzione della loro concentrazione. Gli OECT si rivelano, quindi, come un valido strumento per il monitoraggio in tempo reale e a basso costo di sistemi e sostanze in ambiente acquoso. Il controllo dell’adesione e della formazione di biofilm batterici mediante polimeri conduttori è il tema centrale del Capitolo 4. In questa sezione, è stato studiato il ruolo delle proprietà di superficie sulla capacità del batterio E. coli di aderire e formare sistemi noti come biofilm. A tale scopo, un dispositivo basato sui conduttori organici PEDOT:PSS e PEDOT:Tos è stato progettato e costruito, al fine di sfruttare le proprietà conduttive di questi polimeri per modulare elettricamente le proprietà della superficie di adesione. Il risultato di questo progetto ha dimostrato che lo stato redox della superficie svolge un ruolo chiave nel promuovere (od ostacolare) la formazione di biofilm batterici. Questo ha permesso di ottenere nuove informazioni sulle tecnologie e sui metodi utilizzati per controllare i biofilm, i quali hanno spesso un impatto negativo (ma in alcuni casi anche benefico) sulla società. Il tema del Capitolo 5 è l'interfacciamento di OECT con sistemi biologici, come cellule di mammifero, per sviluppare un sistema di rilevamento dello stress cellulare indotto da farmaci. A tal fine, è stato sviluppato un protocollo di misura, basato sull'integrazione di supporti microporosi con gli OECT, che ha consentito di monitorare la vitalità delle cellule in risposta a farmaci. Lo stress cellulare è stato monitorato analizzando la risposta elettrica degli OECT, una volta posti a contatto con le cellule formanti un tessuto barriera. Questa applicazione si propone di sviluppare un sistema diagnostico point-of-care per rilevamento in situ e in tempo reale della vitalità di cellule cancerose o normali in risposta a farmaci specifici. Infine, il Capitolo 6 contiene alcune osservazioni conclusive sui risultati ottenuti in questo lavoro. Come ultima parte del capitolo, vengono fornite prospettive e speculazioni sui futuri sviluppi della Bioelettronica Organica.