Sensori Neuromorfici Organici per Neurotrasmettitori

In this thesis an ultra-sensitive and selective sensor for dopamine (DA) by means of a neuro-inspired device platform without the need of a specific recognition moiety is demonstrated. DA is a neurotransmitter of catecholamines family that controls functions of cardiovascular, renal, hormonal and central nervous systems. DA deficit is a hallmark of Parkinson’s disease (PD), due to the degeneration of dopaminergic neurons in substantia nigra pars compacta. The sensor is a whole organic device featuring two electrodes made of poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate – PEDOT:PSS – directly patterned through laser ablation on a polydymethylsiloxane – PDMS – flexible substrate. One electrode is pulsed with a train of voltage square waves (-200 mV with a frequency of 500 Hz for 1s), to mimic the pre-synaptic neuron behavior, while the other is used to record the displacement current, mimicking the post-synaptic neuron. The current response exhibits the features of synaptic Short-Term Plasticity (STP) with facilitating or depressing response according to the stimulus frequency. We found that the resulting current decreases with a characteristic time, τSTP , depending on DA concentration in solution. The sensor detects [DA] down to 1 pM range. We assess the sensor also in the presence of several moieties physiologically present in cerebrospinal fluid or extracellular fluids, i.e. ascorbic acid, uric acid, 3-methoxytyramine, 3,4-dihydroxyphenylacetic acid, homovanillic acid, serotonin, epinephrine and norepinephrine. Our detection strategy successfully discriminates DA from the other analytes in model solutions (i.e. Phosphate Saline Buffer). The sensor appears still more sensitive to DA than to the others, even in presence of moieties with similar chemical structures. The synapse appears ultrasensitive to DA (from physiological to pathological concentrations) and selective thanks to the interaction mechanism with PEDOT:PSS. DFT calculations on PEDOT:PSS/metabolite clusters hint to a correlation between the STP response and stronger non-covalent interactions between DA and PEDOT:PSS, specifically electrostatic and hydrogen bonding of DA ammonium end group with sulfonate. The whole organic synapse, being biocompatible, soft and flexible, is attractive for implantable devices aimed to real-time monitoring of DA concentration in bodily fluids, to be used as a diagnostic tool, for instance, in chronic neurodegenerative diseases such as Parkinson’s disease.

Nel presente lavoro di tesi è presentato un sensore per la dopamina (DA) per mezzo di un dispositivo che non necessita di un specifica specie di riconoscimento. La DA è un neurotrasmettitore appartenente alla famiglia delle catecolamine che controlla alcune funzioni del sistema cardiovascolare, renale, ormonale e nervoso. La diminuzione dei livelli di DA, dovuta alla degenerazione dei neuroni dopaminergici della substantia nigra pars compacta, è un segnale che indica la comparsa del morbo di Parkinson (PD). Il sensore è completamente organico e presenta due elettrodi di poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate – PEDOT:PSS – direttamente modellati su un substrato flessibile di polidimetilsilossano (PDMS). Il protocollo di misura prevede che uno dei due elettrodi sia pulsato con un treno di onde quadre (-200 mV con una frequenza di 500 Hz per 1 s), in modo da simulare il comportamento di un neurone pre-sinaptico, mentre l’altro viene utilizzato per misurare la corrente risultante, simulando un neurone post-sinaptico. La risposta in corrente mostra le caratteristiche della Short-Term Plasticity (STP) neuronale con un comportamento depressivo o facilitativo a seconda della frequenza di stimolo. Durante questo lavoro di tesi abbiamo dimostrato come la corrente risultante dal protocollo di stimolo decadesse con un tempo caratteristico τSTP, dipendente dalla concentrazione di DA in soluzione. Il sensore è in grado di rivelare concentrazioni di DA sotto al pM. Inoltre abbiamo testato il sensore anche in presenza di altre molecole fisiologicamente presenti nel fluido cerebrospinale e nel fluido extracellulare, i.e. acido ascorbico, acido urico, 3-metossitiramina, acido 3,4-diidrossifenilacetico, acido omovanillico, serotonina, adrenalina e noradrenalina. La nostra strategia di rilevazione è in grado di distinguere la DA dagli altri analiti in soluzioni modello (i.e. Buffer Salino Fosfato pH 7.4). Il sensore risulta essere più sensibile alla DA rispetto alle altre specie chimiche, anche in copresenza con molecole con strutture chimiche simili. La sinapsi artificiale appare ultra-sensibile alla DA (da concentrazioni fisiologiche, fino a quelle patologiche) e selettiva grazie a meccanismi di interazioni con il PEDOT:PSS. I nostri dati sperimentali sono poi stati confermati da calcoli DFT su PEDOT:PSS/metaboliti suggerendo una correlazione tra la risposta STP e le forti interazioni non covalenti tra DA e PEDOT:PSS, in particolare interazioni elettrostatiche e legami idrogeno con l’ammonio della DA e il sulfonato. Questa sinapsi totalmente organica, essendo anche biocompatibile e flessibile risulta essere un buon candidato per futuri impianti in modelli animali con malattie neurodegenerative, come il PD, con l’obiettivo di andare a monitorare in tempo reale la concentrazione di DA nei fluidi biologici e per essere utilizzata come strumento diagnostico.