Dispositivi Bioelettronici Organici per Specifici Biomarcatori: Verso l´Integrazione con Sistemi Biologici

Inorganic materials have been the main players of the semiconductor industry for the past forty years. However, there has been a continuous growth in the research and in the application of organic semiconductors (OSCs) as active material in electronic devices, due to the possibility to process these materials at low temperature, on flexible substrates and fabricate them on large-area. Because of these features, organic electronic devices are rapidly emerging as biosensors, with a high potential for becoming a high-throughput tool for point-of-care. One of the most studied platform is the Organic Electrochemical Transistor (OECT). OECTs have been used as biosensors to transduce and amplify electrical signals or detect biological analytes upon proper functionalization with specific biorecognition units. OECTs can operate at low voltages, they are easy to fabricate on different substrates and compatible with the aqueous environment, therefore can be interfaced with living systems. The OECT device configuration includes a gate electrode that modulates the current in the channel through an electrolyte, which can be a buffered solution or a complex biological fluid. When OECTs are operated as biosensors, the sensing mechanism relies on the current variation generated from specific reactions with the analyte of interest. During my PhD, I focused on design, fabrication and validation of different OECT-based biosensors for the detection of biomarkers for healthcare applications, showing their high potential as sensing platform. We developed sensors towards different analytes, ranging from small molecules to proteins, with ad hoc strategies to endow the device with selectivity towards the species of interest. Most notably, I also demonstrated the possibility of integrating OECTs in plants, as an example of interfacing living systems. In the first two papers, we developed screen printed OECTs, presenting PEDOT:PSS as semiconducting material on the channel. In the first case, the device featured also a PEDOT:PSS gate electrode which was further functionalized with biocompatible gelatin and the enzyme urease to ensure selectivity toward urea. The biosensor was able to monitor increasing urea concentrations with a limit of detection of 1µM. In the second paper the screen-printed carbon gate electrode was first modified with platinum and then we ensured selectivity towards analyte uric acid, a relevant biomarker for wound infection, by entrapping urate oxidase in a dual-ionic-layer hydrogel membrane. The biosensor exhibited a 4.5µM limit of detection and selectivity even in artificial wound exudate. In the third paper we designed an interleukin-6 (IL6) OECT based biosensor able to detect cytokine levels down to the pM regime in PBS buffer. The mechanism of detection relies on the specific binding between an aptamer, used as sensing unit on the gate electrode, and the IL6 in solution, allowing for detection ranging from physiological to pathological levels. In the last two papers we developed OECT based biosensors to be interfaced with the plant world. In the fourth paper we presented a sensor functionalized with glucose oxidase (GOx) to detect glucose export from chloroplast. In particular, we demonstrated real-time glucose monitoring with temporal resolution of 1 minute. In the second paper, we developed implantable OECT-based sugar sensors for in vivo, real time monitoring of sugar transport in poplar trees. The biosensors presented a multienzyme-functionalized gate for specificity towards glucose and sucrose. Most notably, the OECT sensors did not cause a significant wound response in the plant, demonstrating that OECT-based sensors are attractive tools for studying transport kinetics in plants.

I materiali inorganici sono stati i protagonisti dell'industria dei semiconduttori negli ultimi quarant'anni. Tuttavia, c'è stato un continuo interesse nella ricerca e nell'applicazione di semiconduttori organici (OSC) per dispositivi elettronici, grazie alla loro possibilità di essere processati a bassa temperatura, su substrati flessibili e di essere fabbricati utilizzando diverse strategie. Grazie a queste caratteristiche, questi dispositivi elettronici organici stanno rapidamente emergendo come biosensori, con un alto potenziale per diventare piattaforme point-of-care. Uno dei dispositivi piu´utilizzati è il Transistor Elettrochimico Organico (OECT). Gli OECT possono trasdurre e amplificare segnali elettrici o rilevare analiti biologici previa funzionalizzazione con specifiche unità di bioriconoscimento. Gli OECT operano a basso voltaggio, sono facili da fabbricare su diversi substrati e sono compatibili con l'ambiente acquoso, quindi possono interfacciarsi con sistemi biologici. La configurazione di un OECT include un elettrodo di gate che modula la corrente nel canale attraverso un elettrolita, che può essere non solo una soluzione tampone ma anche un fluido biologico complesso. Quando gli OECT vengono utilizzati come biosensori, il meccanismo di rilevamento si basa sulla variazione di corrente generata da reazioni specifiche con l'analita di interesse. Durante il mio dottorato di ricerca, mi sono concentrata sulla progettazione, fabbricazione e validazione di biosensori basati su OECT per il rilevamento di biomarcatori clinici, mostrando il loro alto potenziale come piattaforma di rilevamento. Abbiamo sviluppato sensori verso vari analiti, da molecole a proteine, usando diverse strategie per dotare il dispositivo di selettività verso gli analiti. In particolare, ho anche dimostrato la possibilità di integrare gli OECT nelle piante, come esempio di interfaccia con sistemi viventi. Nei primi due articoli, abbiamo sviluppato OECT stampati, che presentano PEDOT:PSS come semiconduttore sul canale. Nel primo caso, il dispositivo presenta anche un elettrodo di gate PEDOT:PSS che è stato ulteriormente funzionalizzato con gelatina biocompatibile e l'enzima ureasi per garantire la selettività verso l'urea. Il biosensore è stato in grado di monitorare diverse concentrazioni di urea con un limite di detection di 1µM. Nel secondo articolo l'elettrodo di gate di carbonio stampato è stato prima modificato con platino e succesivamente abbiamo assicurato la selettività verso l'acido urico, un biomarcatore rilevante per l'infezione, intrappolando l'urato ossidasi in una membrana a doppio strato ionico. Il biosensore ha mostrato un limite di rilevamento e selettività di 4,5 µM anche in essudato artificiale. Nel terzo articolo abbiamo progettato un biosensore per la detection di interleuchina-6 (IL6) in grado di rilevare i livelli di citochina in concentrazioni pM. Il meccanismo di rilevamento si basa sul legame specifico tra un aptamero, utilizzato come unità di rilevamento sull'elettrodo di gate, e l'IL6 in soluzione. Nel quarto articolo abbiamo presentato un sensore, basato sull'enzima glucosio ossidasi (GOx) per rilevare l'esportazione di glucosio da cloroplasti. Abbiamo dimostrato il monitoraggio di glucosio in tempo reale con una risoluzione di 1 minuto. Nel secondo articolo, abbiamo sviluppato sensori impiantabili per il monitoraggio in vivo e in tempo reale del trasporto di zuccheri nelle piante. I biosensori presentano un elettrodo di gate multienzimatico per conferire specificità per il glucosio e il saccarosio. In particolare, i dispositivi non hanno causato singificativi danni al tessuto, dimostrando che gli OECT possono rappresentatere soluzioni alternative per studiare processi fisiologici.