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Bioelettronica Organica: Biosensori Elettrochimici per la Rivelazione e il Monitoraggio di Biomolecole, Pigmenti e Cellule Tumorali
Abstract: i sensori elettrochimici organici sono tra le piattaforme più potenti per la rivelazione di bio-segnali e il monitoraggio in real-time di processi biologici direttamente in soluzione. Nel presente articolo introduciamo le più avanzate e recenti applicazioni dei nostri sensori nel campo della bioelettronica organica e nanomedicina, con esempi che spaziano da semplici enzimi a struttura molto più complesse, quali liposomi, pigmenti e cellule tumorali.
I Transistors Elettrochimici Organici (Organic Electrochemical Transistors, OECTs) sono un tipo molto particolare di transistor a film sottile, in cui la parte attiva del transistor è costituita da un polimero organico, elettro-chimicamente attivo e in contatto con un bagno elettrolitico. Realizzato per la prima volta nel 1984 da Wrighton [1], lo schema base di un OECT utilizza un’architettura molto semplice in cui il polimero organico conduttivo è in contatto con un elettrodo di gate tramite un elettrolita, in cui il gate stesso è immerso. La semplicità della fabbricazione e della struttura permettono inoltre di poter integrare facilmente gli OECT in sistemi lab-on-a-chip.
Schema di un transistor elettrochimico organico, in cui il polimero conduttivo ed elettrochimicamente attivo, è in contatto con un elettrolita confinato all’interno di una vaschetta. In figura sono visibili gli elettrodi di source e drain a contatto con il polimero, e l’elettrodo di gate immerso nell’elettrolita.
Un OECT è particolarmente comodo per essere utilizzato come sensore biologico perché l’ambiente liquido permette di interfacciare in maniera semplice e intuitiva la parte elettronica del dispositivo con il mondo biologico, che di sua natura vive in ambienti liquidi (soluzioni fisiologiche, saline, plasma, liquidi di coltura cellulari, e simili); le proprietà amplificanti del transistor permettono di rivelare anche segnali biologici deboli, in più la possibilità di lavorare a bassi voltaggi (< 1V) assicura una perfetta compatibilità con la maggior parte dei sistemi biologici. Uno dei materiali più utilizzati per fare dispositivi OECT è il polimero semiconduttivo PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene : poly(styrene sulfonate)) che ormai è diventato un materiale standard grazie alla sua dimostrata biocompatibilità e stabilità in soluzione. Il PEDOT:PSS è un polimero semiconduttore elettro-chimicamente attivo, che significa capace di incorporare in modo reversibile ioni positivi, a loro volta in grado di cambiare la conducibilità elettriche del polimero proporzionalmente al numero di ioni presenti in soluzione. Sfruttando questo principio il dispositivo OECT può essere utilizzato come convertitore ione-elettrone tra gli ioni in soluzione e gli elettroni nel canale polimerico, e quindi come sensore di specie biologiche, quali glucosio, dopamina, DNA, cellule tumorali etc…Gli sviluppi più recenti e avanzati vedono gli OECT applicati nel campo delle neuroscienze e nella rivelazione dell’adesione cellulare.
Recentemente il nostro gruppo di ricerca ha dimostrato come gli OECT possano essere utilizzati per la rivelazione in-situ di nanoparticelle liposomiche funzionalizzate con chitosano [3], con un range di rivelazione adatto per applicazioni nei saggi di controllo qualità di liposomi utilizzati come vettori di farmaci, e di nanoparticelle di oro rivestite con diversi tipi di ricoprimenti polimerici. [4]
Utilizzando come elettrolita un surfattante cationico, in grado di formare strutture micellari oltre una certa concentrazione di soglia, abbiamo osservato come il dispositivo OECT sia in grado di rivelare con estrema sensibilità il punto di micellazione critica [5]: questa osservazione è stato molto interessante soprattutto per il ruolo che le micelle rivestono nei processi biologici e nei sistemi di rilascio dei farmaci, come potenziali nano-vettori in cui i farmaci possono essere intrappolati e rilasciati in modo controllato. Un OECT può essere utilizzato non solo come sensore, ma anche come strumento per l’analisi delle proprietà elettriche delle molecole: in questo senso le proprietà di reattività e d’invecchiamento di pigmenti di melanina sono state analizzate in sospensione acquosa di melanina sintetica, [6] dimostrando la grande versatilità degli OECT e del PEDOT:PSS, in grado di lavorare non solo come sensore con elettroliti acquosi ma anche in fasi eterogenee di biopolimeri di natura anche molto complessa. I più recenti esprimenti, tuttora in corso, vedono gli OECT impegnati nel monitoraggio real-time dello stress cellulare indotto da farmaci o altre sostanze chimiche.
Contatti:
Dr. Salvatore Iannotta, Istituto IMEM-CNR di Parma
Tel. +390521269255, Email: direttore-imem@imem.cnr.it