Studio di transistor elettrochimici e loro applicazioni

In questa tesi, utilizzando le particolari proprietà del polimero conduttivo poli(3,4-etilenediossitiofene) drogato con polistirene sulfonato , o PEDOT:PSS, sono stati realizzati dei transistor elettrochimici organici (OECTs), in cui il gate e canale source-drain sono stati realizzati depositando su substrato di vetro film sottili di questo polimero. I dispositivi realizzati sono stati caratterizzati, per comprenderne meglio le funzionalità e le proprietà per possibili applicazioni future, in particolare come sensori di glucosio. Il PEDOT:PSS è uno dei materiali più studiati per applicazioni della bioelettronica in virtù della sua grande stabilità chimica e termica, della reversibilità del suo processo di drogaggio, della grande conducibilità e delle sue proprietà elettrochimiche, nonché della sua attività in un vasto range di pH. Vengono trattate nell’elaborato anche le tecniche di deposizione di questo polimero per la creazione di film sottili, necessari per le varie applicazioni nell’ambito della bioelettronica organica, la quale si propone di unire la biologia e l’elettronica in un mutuale scambio di informazioni e segnali. Questa interazione si sta verificando soprattutto nel campo sanitario, come si può evincere dagli esempi riportati nella trattazione. Si conclude la parte teorica con una descrizione degli OECTs: viene spiegata la loro struttura, la capacità di connettere conducibilità ionica ed elettronica e il loro funzionamento, inserendo anche un confronto con i FET (“Field Effect Transistor”), per agevolare la comprensione dei meccanismi presenti in questi strumenti. Per la parte sperimentale si presenta invece una descrizione dettagliata dei procedimenti, degli strumenti e degli accorgimenti usati nel fabbricare i transistor sui quali si è lavorato in laboratorio, riportando anche una piccola esposizione sulle principali misure effettuate: curve caratterische I–V, transcaratteristiche e misure di corrente nel tempo sono le principali acquisizioni fatte per studiare i dispositivi. E’ stata studiata la diversa risposta degli OECTs al variare della concentrazione di PBS in soluzione, mostrando un generale rallentamento dei processi e una diminuzione della capacità di modificare la corrente source-drain al calare della concentrazione. In seguito, è stato effettuato un confronto tra transistor appena fatti e gli stessi analizzati dopo un mese, osservando una riduzione della corrente e quindi della conducibilità, seppur senza una modifica qualitativa delle curve caratteristiche (che mantengono il loro andamento). Per quanto riguarda la possibilità di usare questi dispositivi come sensori di glucosio, si introduce uno studio preliminare sulla risposta di un transistor, il cui gate è stato funzionalizzato con ferrocene, alla presenza di glucosio e glucosio ossidasi, un enzima necessario al trasferimento di elettroni, nella soluzione elettrolitica, seppur con qualche difficoltà, per via della mancanza di informazioni sui parametri da utilizzare e il range in cui compiere le misure (tuttora oggetto di ricerca).

Fabbricazione, caratterizzazione ed applicazioni di transistor elettrochimici organici

In questa tesi è stato esposto il lavoro, svolto in laboratorio, di fabbricazione degli OECTs, seguito dalle misure raccolte durante le prove effettuate, con le relative analisi e discussioni dei risultati ottenuti. É stato dimostrato che gli OECTs basati sul PEDOT:PSS sono in grado di fornire una misura della concentrazione di sostanze ossidanti.

Transistor elettrochimici organici per biosensoristica

I transistor elettrochimici a base organica (OECT) hanno attratto sempre maggior interesse e sono oggetto di molti studi dagli anni '70 no ai nostri giorni. Questo lavoro di tesi ha come oggetto la realizzazione e la caratterizzazione di OECT a base di poli(3,4-etilen-diossi-tiofene) complessato con l'acido stirensolfonico (PSS). Questi dispositivi sono stati costruiti utilizzando solamente semiconduttori organici come materiali conduttivi ovvero senza l'uso di metalli, quindi risultano essere biocompatibili, economici e di semplice realizzazione. Questo tipo di sensori presenta un elevata sensibilità agli analiti e necessita di un'elettronica di controllo molto più semplice rispetto a metodi elettrochimici tradizionali che utilizzano un potenziostato ed un elettrodo di riferimento. Sono state studiate diverse geometrie e spessori di polimero depositato per ottimizzare le condizioni di lavoro per avere alta sensibilità e guadagno in corrente attraverso l'uso di misure di corrente di drain in funzione del tempo con aggiunte successive di analita. Questi dispositivi sono stati utilizzati come sensori di analiti quali la dopamina, l'acido ascorbico e l'acido urico. Attraverso scansioni in transcaratteristica, si è studiata la risposta dei transistor relativa agli analiti ed attraverso lo studio della transconduttanza si è ottenuta una nuova metodologia di lavoro in grado di separare i contributi relativi ai vari composti. Inoltre, in questa modalità, è stato possibile ottenere una selettività dei sensori ai vari analiti, problema principale dell'utilizzo di transistor elettrochimici, ed attraverso la modulazione della velocità di scansione dello strumento, è stata ottenuta una risposta alla sola dopamina, analita di maggior interesse per applicazioni biosensoristiche. In conclusione si può affermare che questo tipo di dispositivo possiede ottime proprietà e caratteristiche per ulteriori studi e sviluppi in applicazioni reali.

Transistors elettrochimici organici e la loro applicazione come sensori.

La presente tesi tratta della fabbricazione e del funzionamento di transistors elettrochimici organici (OECTs) composti da fi�lm sottili di poly(3,4-ethylenedioxythiophene) disperso con polystyrenesulfonic acid, o PEDOT:PSS, oltre che del loro possibile utilizzo come sensori. La trattazione si apre con una panoramica sui polimeri conduttivi, siano essi puri o drogati, e sulle loro caratteristiche chimiche ed elettriche: diversi metodi di drogaggio consentono il loro utilizzo come semiconduttori. Tra questi polimeri, il PEDOT �e uno dei pi�u utilizzati poich�e presenta accessibilit�a d'uso e ottima stabilit�a nel suo stato drogato, pur risultando insolubile in acqua; per ovviare a questo problema lo si polimerizza con PSS. Le propriet�a di questo composto sono poi ampiamente discusse, soprattutto in ambito di applicazioni tecniche, per le quali �e neccessario che il polimero in soluzione sia depositato su un substrato. A questo scopo vengono presentate le principali techiche che consentono la deposizione, permettendo di creare fil�lm sottili di materiale da utilizzarsi, nell'ambito di questa tesi, come gate e canale dei transistors elettrochimici. A seguire viene esposta la struttura degli OECTs e spiegato il loro funzionamento, modellizzando i dispositivi con un semplice circuito elettrico. Il confronto dei meno noti OECTs con i meglio conosciuti transistors a eff�etto campo semplifi�ca la comprensione del funzionamento dei primi, i quali sono rilevanti ai fi�ni di questa trattazione per il loro possibile funzionamento come sensori. In seguito alla spiegazione teorica, vengono illustrati i metodi seguiti per la deposizione di �film sottili di PEDOT:PSS tramite Spin Coating e per la fabbricazione degli OECTs su cui sono state eff�ettuate le misure, le quali sono state scelte e presentate in base ai risultati gi�a ottenuti in letteratura e a seconda dei dati ritenuti necessari alla caratterizzazione del transistor elettrochimico nell'ottica di un suo possibile utilizzo come sensore. Perci�o sono state eseguite misure amperometriche in funzione delle tensioni di gate e di drain, alternatamente tenendo costante una e variando l'altra, oltre che in funzione della concentrazione di elettrolita, dell'area del canale e del tempo. In conclusione sono presentati i dati sperimentali ottenuti ed una loro analisi.

Transistor elettrochimici tessili come sensori per elettronica indossabile

Questa tesi descrive lo sviluppo di un OECT (Organic Eletrochemical Transistor) basato su un polimero conduttore (PEDOT:PSS) stampato su tessuto che può essere utilizzato come sensore fisico e chimico. Il lavoro di tesi si posiziona all’interno della Wearable Technology ossia il mercato emergente dei dispositivi indossabili. Essi sono caratterizzati da innumerevoli ambiti di applicazione tra i quali troviamo le varie forme di pagamento digitale, la gestione della salute e del fitness, dell'Entertainment e l’utilizzo nel mondo della moda. Questa ricerca nello specifico mostra come tali transistor, quando utilizzati come sensori chimici, possano essere impiegati per rivelare e dosare composti redox attivi quali acido ascorbico, adrenalina e dopamina. Tali sostanze sono state scelte per l’importanza che rivestono nel metabolismo umano e la loro presenza in diversi fluidi biologici, quali sudore o sangue, può essere utile per il monitoraggio, la diagnostica e la prevenzione di diverse malattie. I sensori possono essere fabbricati mediante semplici processi di stampa su un tessuto indossabile permettendo così di monitorare tali fattori in tempo reale e con un ingombro estremamente ridotto. Il tempo di vita del dispositivo tessile è stata valutata sottoponendolo a diversi cicli di lavaggio.

PEDOT:PSS: un polimero conduttivo organico per lo studio dell'integrità del tessuto cellulare

Questa tesi si inserisce nel campo della Bioelettronica Organica con lo scopo di utilizzare dei transistor elettrochimici (OECT) organici basati sul polimero conduttivo PEDOT:PSS per rilevare l’integrità di un tessuto cellulare e come biosensori di analiti in soluzione. Nella prima parte dell’elaborato, si spiegano le proprietà ed il trasporto di carica dei polimeri coniugati concentrandosi sulle caratteristiche fisico chimiche del PEDOT:PSS, seguito da una trattazione analitica del principio di funzionamento di un OECT. La seconda parte, si concentra sul lavoro sperimentale partendo da una descrizione dei processi di fabbricazione degli OECT, dei metodi di caratterizzazione utilizzati e della progettazione del set-up sperimentale per permettere le misure elettriche nell’incubatore cellulare. In seguito, viene dimostrato l’uso di un OECT completamente a base di PEDOT:PSS come sensore di un neurotrasmettitore (dopamina). In parallelo, il lavoro si è concentrato sull’ottimizzazione dei transistor in termini di formulazione di PEDOT:PSS e di geometria del dispositivo per ottenere tempi di spegnimento veloci compatibili con le risposte cellulari (<300ms). In fase di preparazione alle misure con le cellule si è valutato la funzionalità dell’OECT nelle condizioni di coltura cellulare dimostrando una buona stabilità dei dispositivi. Inoltre, sono stati progettati degli studi di simulazione tramite una membrana porosa per prevedere le risposte dei transistor in presenza di un tessuto cellulare. Partendo dall’esito positivo dei test preliminari, il lavoro si è concluso con il primo esperimento con le cellule tumorali HeLa, in cui si è monitorata la crescita cellulare con immagini ottiche correlate alle misure elettriche. I primi risultati confermano la biocompatibilità dei dispositivi e una risposta elettrica degli OECTs alla presenza delle cellule, aprendo la possibilità di utilizzare questi dispositivi per futuri esperimenti anche con diversi tipi di cellule.

Smart texile: biosensori elettronici indossabili

In questo lavoro verra presentata la realizzazione e la caratterizzazione di transistor organici basati su un polimero conduttore, il poli(3,4-etilenediossitiofene) polistirene sulfonato, o PEDOT:PSS. Tali transistor rientrano nella categoria degli OECT o transistor elettrochimici organici e hanno la capacita di poter rilevare ed analizzare sostanze chimiche di diverso genere presenti in soluzione. I dispositivi implementati in questa tesi sono stati ottenuti tramite la deposizione del materiale organico conduttivo su substrato tessile al fine di creare un device completamente integrabile in un capo di abbigliamento o in un qualsiasi utilizzo in campo tessile. In particolare questi transistor sono stati studiati per la rilevazione di sostanze quali acido ascorbico, dopamina e adrenalina. Gli ultimi due analiti sono di importanza particolare poiche facenti parte della famiglia dei neurotrasmettitori. Inoltre in questa tesi sono stati creati fili di cotone conduttivi, sempre tramite l'utilizzo di PEDOT:PSS. Tali fili infatti sono risultati ottimi candidati per il trasporto di un segnale elettrico e per questo sono stati implementati nella costruzione di un OECT. La realizzazione dei fili conduttivi potra permettere un ulteriore avanzamento nella completa integrabilita dell'elettronica con il settore tessile. Una peculiarita aggiuntiva di questo lavoro e stata quella di utilizzare il sudore artificiale come elettrolita, oltre al normale PBS che costituisce ormai uno standard in questo tipo di ricerche. L'utilizzo del sudore artificiale rientra nell'ottica futura di un utilizzo di questi sensori come rilevatori di sostanze chimiche emesse dal corpo umano sfruttabili diversi ambiti, ovvero dall'attivita sportiva alla prevenzione, in ambito medico, di diverse malattie.

Caratterizzazione di film sottili di PEDOT:PSS

Negli ultimi 20 anni lo studio dei materiali organici dalle proprietà conduttive si è ampliato significativamente in un range di applicazioni molto vasto, che va dall'assemblaggio e costruzione di sistemi microelettronici avanzati ad applicazioni nel campo della bioelettronica e dell'ingegneria biomedica. Il presente lavoro rappresenta un punto d'incontro tra la fisica dei materiali e la ricerca in ambito biomedico e verte sullo studio delle particolari proprietà del poli(3,4-etilenediossitiofene) drogato con poli(stirene sulfonato), o PEDOT:PSS, utilizzato nella preparazione di substrati per colture cellulari. Nel primo capitolo, di natura descrittiva, viene presentata una panoramica sui polimeri conduttivi e sulle loro caratteristiche principali con particolare approfondimento sul PEDOT:PSS e sulle sue applicazioni in ambito di ricerca. Il secondo capitolo contiene una descrizione approfondita della strumentazione e delle procedure utilizzati per la caratterizzazione dei campioni: sommariamente, questi comprendono misure di resistenza superficiale, di angolo di contatto e analisi morfologiche tramite AFM. Nel terzo e ultimo capitolo vengono esposte le tecniche di preparazione dei campioni e vengono mostrati e discussi i risultati delle misure eseguite sui campioni preparati.

Bioelettronica organica: Nuovi approcci tecnologici per la stimolazione e la rilevazione della comunicazione di cellule neuronali.

Il campo della Bioelettronica si è sviluppato a partire dal 18 secolo con l’ esperimento di Luigi Galvani che, applicando uno stimolo elettrico ai muscoli di una rana dissezionata, ne osservò il movimento. Da questo esperimento si è aperta la strada che ha portato ad oggi ad un grande sviluppo tecnologico nella realizzazione di dispositivi elettronici che permettono di offrire un miglioramento generale delle condizioni di vita. Come spesso accade con le tecnologie emergenti, i materiali sono la maggiore limitazione nello sviluppo di nuove applicazioni. Questo è certamente il caso della Bioelettronica. I materiali elettronici organici, nella forma di polimeri conduttivi, hanno mostrato di poter dotare gli strumenti elettronici di grandi vantaggi rispetto a quelli tradizionali a base di silicio, in virtù delle loro proprietà meccaniche ed elettroniche, della loro biocompatibilità e dei bassi costi di produzione. E’ da questi studi che nasce più propriamente il campo della Bioelettronica Organica, che si basa sulla applicazione di semiconduttori a base di carbonio in forma di piccole molecole coniugate e di polimeri, e del loro utilizzo nei dispositivi elettronici. Con il termine di ‘Bioelettronica organica’, quindi, si descrive l’accoppiamento tra dispositivi elettronici organici e il mondo biologico, accoppiamento che si sviluppa in due direzioni: da un lato una reazione o un processo biologico può trasferire un segnale ad un dispositivo elettronico organico, dall’altro un dispositivo elettronico organico può avviare un processo biologico.

Nanoindentazione di film sottili di PEDOT:PSS su substrato rigido

In questa tesi vengono presentati i risultati sperimentali di nanoindentazione su film sottili di PEDOT:PSS depositato su substrato rigido (vetro). Nella prima parte viene presentato lo sviluppo della teoria classica sul contatto meccanico tra due superfici elastiche, sviluppata per la prima volta da Hertz nella seconda metà dell'Ottocento. Nel Capitolo 2 si entra maggiormente nel dettaglio con la spiegazione del metodo sviluppato da Oliver e Pharr per misurare alcune proprietà meccaniche dei materiali tramite la tecnica della nanoindentazione utilizzata in questo esperimento. Particolare riguardo viene dato al modo in cui vengono misurate le quantità fisiche rilevanti, ovvero modulo di Young e durezza. Nel terzo capitolo vengono descritte brevemente la struttura del polimero PEDOT:PSS e la tecnica utilizzata per sintetizzarlo a partire dal suo monomero, l'EDOT. Nel Capitolo 4 una sezione è dedicata alla descrizione della preparazione dei campioni di PEDOT:PSS utilizzati in questo esperimento, quindi una parte è dedicata alla descrizione dello strumento di misura, mentre la restante parte del capitolo è riservata alla presentazione dei risultati sperimentali con l'aiuto di grafici e tabelle. Nella parte finale di questo lavoro si riportano alcune conclusioni sui risultati ottenuti.

PEDOT:PSS thin films: Applications in Bioelectronics

Owing to their capability of merging the properties of metals and conventional polymers, Conducting Polymers (CPs) are a unique class of carbon-based materials capable of conducting electrical current. A conjugated backbone is the hallmark of CPs, which can readily undergo reversible doping to different extents, thus achieving a wide range of electrical conductivities, while maintaining mechanical flexibility, transparency and high thermal stability. Thanks to these inherent versatility and attracting properties, from their discovery CPs have experienced incessant widespread in a great plethora of research fields, ranging from energy storage to healthcare, also encouraging the spring and growth of new scientific areas with highly innovative content. Nowadays, Bioelectronics stands out as one of the most promising research fields, dealing with the mutual interplay between biology and electronics. Among CPs, the polyelectrolyte complex poly (3,4-ethylenedioxythiophene): poly (styrenesulfonate) (PEDOT:PSS), especially in the form of thin films, has been emphasized as ideal platform for bioelectronic applications. Indeed, in the last two decades PEDOT:PSS has played a key role in the sensing of bioanalytes and living cells interfacing and monitoring. In the present work, development and characterization of two kinds of PEDOT:PSS-based devices for applications in Bioelectronics are discussed in detail. In particular, a low-cost amperometric sensor for the selective detection of Dopamine in a ternary mixture was optimized, taking advantage of the electrocatalytic and antifouling properties that render PEDOT:PSS thin films appealing tools for electrochemical sensing of bioanalytes. Moreover, the potentialities of this material to interact with live cells were explored through the fabrication of a microfluidic trapping device for electrical monitoring of 3D spheroids using an impedance-based approach.

Proprietà elettriche di cellule interagenti con matrici polimeriche biocompatibili

L'utilizzo di polimeri organici coniugati in dispositivi elettronici per applicazioni biologiche, grazie alle loro proprietà meccaniche ed elettriche, insieme alla loro biocompatibilità, è un campo di ricerca relativamente nuovo e in rapida espansione. In questo lavoro di tesi si utilizza la tecnica del Voltage Clamp in configurazione whole cell per caratterizzare le proprietà elettrofisiologiche della linea cellulare di glioblastoma multiforme (T98G) e per registrare le correnti ioniche di cellule adese su una matrice polimerica biocompatibile di poli(etilenediossitiofene)-poli(stirenesulfonato) (PEDOT:PSS). La tecnica consiste nel bloccare il potenziale di membrana al valore desiderato, secondo un preciso protocollo di stimolazione, misurando la corrente necessaria per mantenere costante il potenziale presente tra le due superfici della membrana cellulare. Nella prima parte del lavoro le cellule sono state perfuse con farmaci inibitori dei canali potassio, prima con il bloccante non specifico tetraetilammonio (TEA), e poi selettivamente tramite bloccanti specifici come iberiotossina e dendrotossina. Il 44% circa delle cellule ha evidenziato una significativa corrente residua riconducibile all'attività dei canali ionici voltaggio-dipendenti Kv1.2. Al contrario nelle cellule restanti questi canali non sono espressi. Successivamente, sempre utilizzando le T98G, si è analizzato come lo stato di ossido-riduzione del polimero coniugato PEDOT:PSS possa influenzare le correnti dei canali ionici di membrana; è emerso che il substrato di PEDOT:PSS ridotto provoca una diminuzione significativa della corrente registrata rispetto al substrato di controllo (petri in polistirene). Questi risultati sono stati confrontati con le curve di proliferazione delle cellule T98G coltivate per 24h, 48h e 72h sui diversi substrati considerati, evidenziando interessanti correlazioni nel caso del substrato PEDOT:PSS ridotto.

Polimeri biocompatibili come substrati per colture cellulari

Questo lavoro costituisce un'interfaccia tra la fisica dei materiali e la biologia; sfruttando le particolari proprietà del polimero conduttore poli(3,4-etilenediossitiofene) drogato con poli(stirene sulfonato) (PSS), o PEDOT:PSS, sono stati sviluppati e realizzati substrati per colture cellulari. Tale composto è infatti un polimero organico biocompatibile, caratterizzato da proprietà fisiche che ben si prestano ad applicazioni in campo biologico. Vengono inizialmente descritte le caratteristiche generali e gli schemi di classificazione dei polimeri, per analizzare quindi in dettaglio i polimeri conduttori e la loro modalità di drogaggio. Si presenta quindi il PEDOT:PSS, del quale vengono descritte le proprietà, in particolare ci si sofferma sulle quelle termiche, meccaniche ed elettriche. Il primo capitolo si conclude con la presentazione delle applicazioni bioelettroniche del PEDOT:PSS, illustrando le principali applicazioni nella ricerca biologica e descrivendo le caratteristiche che ne hanno fatto uno dei composti più utilizzati per questo tipo di applicazioni. Nel secondo capitolo, per la parte sperimentale, sono stati descritti approfonditamente gli strumenti e i materiali utilizzati; in particolare vengono spiegati dettagliatamente il procedimento di spin-coating per la produzione di film sottili e le tecniche AFM (Atomic Force Microscopy) per l'analisi della morfologia superficiale. Nel terzo capitolo vengono esposte le tecniche sperimentali impiegate: è stata sviluppata una procedura di produzione ripetibile, grazie alla quale sono stati realizzati dei campioni, per i quali poi è stata misurata la rugosità. I risultati conseguiti sono stati infine correlati con l'analisi della proliferazione cellulare, illustrata chiaramente dalle immagini ottenute al microscopio ottico, che rivelano l'adesione e la moltiplicazione cellulare sui substrati di PEDOT:PSS.