ORGANOI3D: ORGANic charge modulated fet-based system for Optimized In vitro 3D electrophysiology

Responsabile di Progetto: Sergio Martinoia 

Dipartimento: DIBRIS Dipartimento di informatica, bioingegneria, robotica e ingegneria dei sistemi

Obiettivo del progetto

Il progetto ORGANOI³D si propone come obbiettivo la realizzazione di un dispositivo per l’analisi elettrofisiologica in vitro di cellule neuronali che possa competere sul mercato con le tecnologie attualmente utilizzate in questo ambito, quali gli array di microelettrodi (MEA) e dispositivi integrati basati sulla tecnologia del silicio. In particolare, i dispositivi realizzati nell’ambito del progetto ORGANOI³D sono basati su array (50-60 siti di registrazione) di particolari transistor organici chiamati organic charge modulated FET (OCMFET) e sono specificamente progettati per un utilizzo sia con colture neuronali planari “classiche” che con strutture neuronali tridimensionali (come per esempio neurosferoidi ottenuti da cellule staminali umane). Questo strumento innovativo, grazie a caratteristiche quali bassi costi di produzione, materiali flessibili e trasparenti, versatilità del principio di trasduzione (il quale permette di integrare più tipi di sensori nello stesso dispositivo) e la presenza di siti di registrazione tridimensionali, costituisce una valida soluzione per l’analisi multimodale di colture cellulari e allo stesso tempo si pone in prima linea nella transizione dalla neuroelettrofisiologia classica a quella basata sullo studio in vitro di strutture neuronali tridimensionali. Parallelamente allo sviluppo del dispositivo, durante lo svolgimento del progetto è prevista anche la realizzazione dell’elettronica multicanale necessaria per la lettura dei segnali cellulari.

Brevetto di riferimento

MI2015A000145 Sistema basato su transistor organico per il monitoraggio elettrofisiologico delle cellule e metodo per monitorare le cellule

Breve descrizione del problema che la tecnologia risolve

Come precedentemente accennato, i dispositivi più comunemente utilizzati per applicazioni elettrofisiologiche in vitro sono i MEA e alcune tipologie di dispositivi ad alta densità basati sulla tecnologia CMOS. Questi dispositivi sono tipicamente caratterizzati da alti costi di produzione (i quali si traducono in alti costi per l’utente) e da materiali rigidi quali silicio (il quale è anche non trasparente) e vetro. Queste caratteristiche portano alla necessità di doverli riutilizzare, previa una non sempre agevole pulizia e ovviamente sterilizzazione, di fatto limitando la loro facilità di utilizzo e la riproducibilità delle misure. Una problematica che la tecnologia sviluppata nel progetto ORGANOI³D si propone di risolvere è relativa a questa specifica limitazione, grazie alla realizzazione di dispositivi a basso costo che possano essere (oltre che trasparenti, leggeri e non facilmente danneggiabili) usa-e-getta. L’abbattimento dei costi è legato in parte ai materiali e in parte alle tecniche di produzione. Per quanto riguarda il primo aspetto, per la realizzazione di questi dispositivi è infatti possibile utilizzare substrati plastici quali PET (il quale costo al dettaglio si aggira intorno a < 10 euro per un foglio da 30X30 cm), minime quantità (< 1 mg/disp) di metalli quali oro e titanio e, in base alla tipologia di implementazione della tecnologia, polimeri conduttori i quali, potendo essere processati in fase liquida presentano ulteriori benefici in termini di resa del processo. Dal punto di vista delle tecniche di fabbricazione, l’estrema versatilità di questi dispositivi organici permette l’utilizzo di approcci convenienti per la produzione su larga area quali stampa a getto d’inchiostro, screen printing e roll-to-roll, ulteriormente contribuendo ad abbassare i costi. Un ulteriore specifico vantaggio offerto dalla tecnica oggetto del brevetto su cui si basa questo progetto è la possibilità di ottenere dispositivi che non necessitano di elettrodo di riferimento esterno, di fatto semplificando il loro utilizzo e ulteriormente abbassando i costi di produzione.

Settori di potenziale applicazione della tecnologia sviluppata (diretti e indiretti)

In questa fase il principale settore di applicazioni fa riferimento al campo della ricerca per lo sviluppo di modelli in vitro tri-dimensionali di tipo organ-on-a-chip per studiare la (pato)fisiologia del sistema con specifico riferimento al cervello e alle strutture neuronali. Si ipotizzano applicazioni in ambito pre-clinico per lo studio di malattie di tipo neurologico e per la medicina di precisione (modelli umani in vitro). Il campo della neurotossicologia e neurofarmacologia in vitro per lo screening di sostanze su tessuti-cellule-organoidi di origine umana è certamente un possibile ulteriore ambito di applicazione.

Descrizione progressiva delle attività e dei risultati conseguiti rispetto agli obiettivi

Periodo Marzo-Maggio 2021. Messa a punto del processo di fabbricazione delle matrici di OCMFET per applicazioni elettrofisiologiche sia su substrati plastici flessibili che su quarzo. Progettazione del processo di fabbricazione delle strutture tridimensionali che andranno a costituire la parte sensibile dei dispositivi 3D (e metallizzazione delle stesse).

Immagini

Figura 1. Prototipo dell’array di OCMFET per applicazioni elettrofisiologiche. Ogni canale è costituito da transistor organici a basso voltaggio ad alte prestazioni

Figura 2. Dettaglio dell’area di registrazione di una matrice di OCMFET con aree sensibili tridimensionali specificamente ingegnerizzate per ottimizzare l’interfaccia con organoidi cellulari e neurosferoidi.

Referente per richiesta contatti/informazioni

Sergio Martinoia 

Settore valorizzazione della ricerca e trasferimento tecnologico