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Biosensori e materiali biocompatibili

Gli impressionanti sviluppi delle conoscenze in ambito biologico e medico che hanno segnato gli ultimi vent'anni hanno reso possibile lo sviluppo di materiali sia strutturali sia funzionali pensati per applicazioni specifiche in ambito biomedico. Quello dei biomateriali, intesi in senso lato, è probabilmente uno dei comparti della scienza dei materiali in cui si è assistito alle innovazioni concettuali più interessanti.

La situazione dei biomateriali alla fine degli anni Ottanta fotografa sostanzialmente un impiego di materiali a soli fini strutturali: leghe metalliche biocompatibili impiegate per protesi ossee o dentali, unitamente a materiali plastici utilizzati per le prime valvole cardiache artificiali. L'unico esempio di materiale funzionale effettivamente impiegato è nel primo biosensore per uso medico, utilizzato oggi comunemente nella determinazione del livello di glucosio nel sangue. Negli ultimi anni, viceversa, si è assistito ad una enorme sforzo di ricerca nel settore dei biomateriali funzionali, orientato principalmente verso lo sviluppo di tecniche di diagnostica che possano integrare (e in parte sostituire) le procedure di analisi biochimica di laboratorio che sono ancora oggi lo standard ospedaliero a livello mondiale. Il concetto di base è quello di sviluppare sistemi integrati miniaturizzati in grado di svolgere sia le eventuali operazioni di separazione dei fluidi sia l'analitica richiesta in modo automatico. Tali dispositivi, detti comunemente lab-on-chip, consentirebbero quindi di spostare dal laboratorio al letto del paziente (ed eventualmente al suo domicilio, per talune classi di patologie) buona parte della fase di diagnosi. Questo, al di là dei vantaggi in termini di costo assistenziale, permetterebbe di condurre analisi anche complesse con maggiore frequenza anche in assenza di operatori qualificati, consentendo una più efficace azione di prevenzione nei soggetti a rischio; e un monitoraggio più continuo e sistematico del decorso della malattia.

In un lab-on-chip una goccia del fluido organico che deve essere analizzato viene introdotta e suddivisa, indirizzata e spostata da una sezione del dispositivo che si fa carico della microfluidica. Il liquido raggiunge quindi su uno o più canali il sensore che misura la presenza e la concentrazione di una specifica specie (una molecola semplice come il glucosio o una molecola assai più complessa come un marker tumorale - ma è possibile anche contare batteri o virus). Il segnale del sensore viene quindi convertito in un segnale elettrico e trasmesso all'elettronica, che può eventualmente utilizzare tutte le informazioni ottenute dai sensori per identificare una condizione patologica. Le singole misure e/o il dato rielaborato viene quindi o mostrato su un display oppure trasmesso ad un centro di raccolta, al medico curante o all'ospedale responsabile della terapia per l'archiviazione o per sollecitare un intervento sul paziente. Tutto il dispositivo (canali microfluidici, sensori ed elettronica) sono realizzati su un singolo chip di silicio di dimensioni spesso inferiori al centimetro.

La possibilità di realizzare questi microlaboratori automatici è una misura di come sia possibile modificare opportunamente le proprietà superficiali di un unico materiale (il silicio) a seconda delle funzioni che tale superficie deve assolvere impiegando tecniche dette di autoassemblaggio molecolare. Nella microfluidica, ad esempio, è essenziale che le microgocce di fluido che deve essere spostato da una parte all'altra del chip non aderisca (non "bagni") la superficie. A questo fine la superficie di silicio può essere resa idrofoba legando chimicamente (autoassemblaggio) alla superficie molecole idrofobe, che formano un singolo strato di molecole ordinato dello spessore di qualche nanometro, più che sufficiente a repellere le molecole di acqua del fluido biologico. Analogamente, i sensori sono in grado di riconoscere le biomolecole, i virus o i batteri impiegando biomolecole o specie più complesse che vengono legate alla superficie di silicio e che sono in grado di interagire selettivamente con le specie obiettivo. Le possibilità offerte dall'autoassemblaggio molecolare unitamente alle sensibilità estreme offerte dalle nanotecnologie e che saranno discusse nella prossima sezione hanno consentito la realizzazione di sistemi in grado di rilevare patogeni con concentrazioni dell'ordine delle femtomoli per litro (circa 600 particelle/mm3).