Un’innovativa piattaforma stratificata e dalle caratteristiche biomimetiche è stata recentemente sviluppata da un gruppo di ricerca multidisciplinare del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) e dell’ “Institute of Fundamental Technological Research” di Varsavia. Questa tecnologia, nanostrutturata come la pelle del camaleonte, sfrutta l’interazione luce-materia. Tale proprietà ha permesso la progettazione di un biosensore con capacità fototermiche ed antibatteriche, per monitorare concentrazioni di glucosio senza richiedere alcun input energetico dall’esterno.
L’ispirazione biomimetica
La biomimetica è un ambito di ricerca che combina discipline come biologia, chimica ed ingegneria per sviluppare strategie tecnologiche ispirandosi alla natura e alla capacità degli organismi di superare un ostacolo. In campo biomedico ne sono esempi il bendaggio adesivo ispirato alle zampe del geco e l’attuatore muscolare che replica il movimento della razza marina.
Molti organismi viventi hanno la capacità di cambiare le loro proprietà a seguito dell’interazione fisica tra la luce visibile e le loro biostrutture naturali (i.e., effetto fototermico), dando luogo ad un cambiamento nella nanostruttura stessa.
Il camaleonte, ad esempio, possiede delle microstrutture – simili a cristalli fotonici – che cambiano colore a seconda dell’interferenza ottica: segnali, localizzazione, mimetizzazione ed emozioni vengono scambiati proprio cambiando il colore della pelle, che ha un ruolo anche nella loro termoregolazione.
La pelle del camaleonte
La pelle del camaleonte è caratterizzata da strati sovrapposti di cellule dermiche iridescenti dette iridofore, che contengono pigmenti ed una rete di nanocristalli di guanina, responsabili entrambi dei fenomeni di colorazione. La pelle è così organizzata:
- Strato superficiale – superiore: regola la colorazione;
- Strato profondo – inferiore: regola la temperatura.
Nello strato superficiale, le cellule iridofore contengono i nanocristalli guaninici organizzati in modo preciso ed alternati al citoplasma. Questi riflettono la luce differentemente a seconda del rilassamento o dell’eccitamento del camaleonte: stati che provocano un’alterazione nella loro nanostruttura, e quindi una colorazione diversa (Figura 1). Nello strato profondo, i nanocristalli sono, invece, caratterizzati da dimensioni maggiori e da una distribuzione meno complessa, agendo come protezione termica dell’animale stesso.
Da qui l’analogia sfruttata per lo sviluppo del biosensore, cioè un dispositivo che coinvolge specifiche reazioni biochimiche e fisiche per rilevare composti chimici, solitamente tramite segnali elettrici, termici oppure ottici.
I “cristalli fotonici” della pelle del camaleonte sono, quindi, distribuiti seguendo un preciso schema ripetitivo, regolando la risposta della pelle (materiale) allo stimolo luminoso (agente esterno). La luce, interferendo con i cristalli fotonici, dà vita a fenomeni di rifrazione che dipendono dalla lunghezza d’onda e dalla distanza tra i cristalli stessi.
Pertanto, l’interazione luce-materia può ispirare la progettazione di biosensori per produrre dispositivi fototermici in grado di registrare variazioni di temperatura in maniera energeticamente indipendente, risultando così versatili, sicuri e decisamente più leggeri. Basti pensare alla moltitudine di sensori che richiedono fonti di alimentazione a batteria, o addirittura a cavo, esponendo il tester a numerosi rischi ed il produttore, a sottostare a regolamentazioni per la sperimentazione altresì più stringenti.
La struttura stratificata
Nello studio realizzato dai ricercatori del CNR in collaborazione con l’istituto polacco, è stato progettato un biosensore composto da un “sandwich” di idrogelo funzionalizzato (esterno) e da una matrice elettrofilata all’interno (Figura 2).
Per ottenere le proprietà termiche e antibatteriche, è stata utilizzata una formulazione idrogel di poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm). Si tratta di un materiale termoresponsivo e non biodegradabile, al cui interno sono stati successivamente incapsulati dei nanocubi d’argento (AuNCs, 75 nm), che possiedono ottime proprietà conduttive e facilitano il rilevamento di sostanze (funzione di “sensing”). Inseriti nel precursore dell’idrogelo per sospensione e testati in tre concentrazioni diverse, i nanocubi d’argento mimano il comportamento ed il ruolo della guanina presente nella pelle del camaleonte.
La matrice elettrofilata è stata scelta per rivestire in modo omogeneo l’idrogel e conferire eccellenti proprietà meccano-strutturali al sistema finale. Per fare ciò, è stata scelta una formulazione di policaprolattone (PCL)/ossido di polietilene (PEO), interposta tra i due strati di PNIPAAm.
Per ottenere il biosensore, è stato utilizzato uno stampo metallico su misura. Il processo di fabbricazione ha richiesto la preparazione di un apposito stampo metallico e la preparazione di un protocollo di produzione ad hoc costituito da quattro passaggi.
- Versamento nello stampo della soluzione liquida costituita dal precursore di idrogel e dai nanocubi incapsulati;
- Inserimento della matrice elettrofilata sulla soluzione liquida di idrogelo;
- Versamento di una seconda dose di idrogel sulla matrice elettrofilata;
- Caratterizzazione del sistema in un bagno di ghiaccio e polimerizzazione del sistema ottenuto con con una lampada UV (passaggio sol-gel).
L’effetto antibatterico e la flessibilità del sistema
L’effetto antibatterico del biosensore flessibile è stato valutato seminando delle colonie di batteri Staphylococcus Aureus sulla superficie della piattaforma, con e senza AuNCs, per mezzo di una soluzione salina (Figura 3).
Note infatti le proprietà antibatteriche del nanoargento e consolidatone l’uso in varie applicazioni, il potenziale effetto è stato analizzato anche a seguito dell’incapsulamento nel biosensore.
Dopo quattro ore di incubazione, gli idrogel puri hanno mostrato solo metà delle colonie di batteri inizialmente seminate a diverse densità e secondo differenti diluizioni. Gli idrogel con AuNCs hanno eliminato oltre il 99,9% dei batteri, indipendentemente dalla concentrazione di nanocubi, confermando il ruolo degli stessi e dimostrando l’effetto antibatterico del sistema.
Le prove di trazione meccanica hanno confermato la stabilità e la flessibilità del dispositivo stesso, che è risultato facilmente maneggiabile grazie all’inserzione della matrice elettrofilata a base fibrosa.
Il rilevamento del glucosio
Per utilizzare la piattaforma come sensore di monitoraggio glucosio, sono stati raccolti campioni di urina da esseri umani. Infiltrati all’interno del biosensore, ne è stata misurata la quantità di glucosio disponibile utilizzando uno spettrofotometro UV-Vis. I campioni infiltrati con acqua hanno fatto gonfiare l’idrogel, abbassando così la sua densità e quindi il suo indice di rifrazione. I campioni infiltrati con urina, precedentemente mischiati a diverse soluzioni di glucosio, ne hanno rilevato concentrazioni diverse anche per intervalli considerati diabetici.
Conclusioni e prospettive future
La reattività fototermica, la semplicità ed i costi di produzione, le proprietà antibatteriche e la capacità di rilevamento (“sensing”) del biosensore presentato in questo articolo raprpesentano un valido punto di partenza, nonchè una spinta verso la prototipazione di sistemi nanostrutturati e flessibili per applicazioni biomedicali di uso comune come la misura del glucosio nei fluidi corporei. In futuro, lo sviluppo di una versione ottimizzata del biosensore potrebbe essere utilizzata per il riconoscimento di anticorpi specifici e per il monitoraggio di marker tumorali.
Fonti e approfondimenti
- Nature.com – Chameleon-inspired multifunctional plasmonic nanoplatforms for biosensing applications
- Nature.com – Photonic crystals cause active colour change in chameleons
- Nature.com – A decade of progress in tissue engineering
- CNR Italia – Il camaleonte ispira nuovi sensori flessibili
