Organic electronics at the interface with bio-medicine

Abstract

The work carried out in this PhD thesis falls into the domain of the Organic Bioelectronics. This field, outstandingly emerged in the last few years, combines several disciplines, mainly Organic Electronics, that relies on carbon-based semiconductors, and biomedicine, in its connotations related to biosensors and diagnostics. In particular, this work concerns the development and study applications of electrochemical devices based on organic conductors for bio-sensing and bioelectronics, applied in particular to the detection of molecules and biologicallyrelevant systems, cellular stress induced by drugs and control of bacterial adhesion. The relevant results obtained qualify electrochemical devices as very promising for biomedical applications in a perspective of cheap, easy to handle systems that could contribute to the development of point-of-care diagnostics and theranostics. Chapter 1 provides the basic theoretical background for the themes and questions that motivate this work. First, the basic concepts of Organic Electronics are illustrated in detail, providing a description of the physical properties that make organic semiconductors an extremely interesting class of materials. The applications of organic-based devices are described, focusing in particular on Organic Electrochemical Transistors (OECTs), a type of Organic Thin film Transistor (OTFT) that represents the device of choice in the present work. An overview on Organic Bioelectronics is also given, with a special focus on recent applications of OECTs to bio-sensing and cellular biology. Finally, a discussion of questions concerning sensing of bio-molecules and biologically-relevant systems (melanins and nano-particles, respectively) is given, together with an introduction to biofouling and cellular stress. Chapter 2 deals with the demonstration that OECTs can efficiently sense biologically relevant pigment molecules, such as eumelanin. Its electrical properties were also studied by exploring redox reactions that occur at the gate electrode providing appropriate experimental conditions. Of particular interest is that the study of the electrical measurements gives information on stability and evolution of these bio-molecules in response to electrochemical stress. Such changes shall be deemed to be the basis of the peculiar properties and the role of melanin within biological organisms. Chapter 3 discusses another field of application of OECTs, addressing the detection and monitoring of magnetic nanoparticles functionalized with polymeric shell, widely studied as drug delivery systems and for hyperthermia in cancer treatments. Monitoring of the electrical response of OECTs allowed to sense such nano-systems as a function of their concentration. Here it is demonstrated that OECTs represent a valuable tool for low-cost and real-time monitoring the dynamics of such systems in an aqueous solutions. Control of bacterial adhesion and biofilm formation by means of conducting polymers is the central topic of Chapter 4. The role of surface properties is studied on the ability of E. coli bacteria to adhere and form the systems known as biofilms. Devices based on two of the most used organic conductors, PEDOT:PSS and PEDOT:Tos, were designed and manufactured, with the aim of modulating the surface adhesion properties by simply electrically controlling the polarization of the conducting polymers. The outcome of this project shows that the redox state of the surface plays a key role in promoting (or inhibiting) the formation of bacterial biofilms. We hence obtained new information on the technologies and methods used to control biofilms, which are often detrimental impact but in some cases beneficial in processes with high social impact. In a contest of increasing complexity, Chapter 5 deals with interfacing of OECTs with biological systems, such as mammalian cells, to develop a system for sensing the cellular stress induced by drugs. To this end, a measurement protocol, based on the integration of micro-porous supports with OECTs, was developed, that allows to monitor the viability of cells in response to drugs. Cellular stress was monitored by analyzing the electrical response of OECTs, once placed in contact with cells forming a barrier tissue. This application is aimed to develop a point-of-care diagnostic system for in situ and real-time sensing of the viability of cancer or normal cell in response to specific drugs. Finally, Chapter 6 gives an outlook and conclusive remarks on the results achieved in this work. Perspectives and speculation on the future developments and achievements of Organic Bioelectronics are provided.

Il lavoro descritto in questa tesi di Dottorato rientra nel dominio della Bioelettronica Organica. Questo campo, eccezionalmente sviluppatosi negli ultimi anni, unisce diverse discipline, soprattutto Elettronica Organica, che si fonda su semiconduttori a base di carbonio, e la biomedicina, nelle sue connotazioni relative a biosensori e diagnostica. In particolare, questo lavoro ha riguardato lo sviluppo e l'applicazione di dispositivi elettrochimici basati su conduttori organici per il bio-sensing e la bio-elettronica. Tali applicazioni sono volte alla individuazione di molecole e di sistemi di interesse biologico, stress cellulare indotto da farmaci e controllo dell’adesione batterica.

Il Capitolo 1 è volto a fornire i concetti teorici su cui si fondano le applicazioni descritte di seguito, così come a giustificare le problematiche e le necessità che mi hanno portato ad essere coinvolto in questo lavoro. In primo luogo, vengono illustrati in dettaglio i concetti alla base dell’Elettronica Organica, fornendo una descrizione delle proprietà fisiche che rendono i semiconduttori organici una classe di materiali estremamente interessante e versatile. Vengono poi descritte le applicazioni di dispositivi a base organica, quali Transistor a Film Sottile Organico, con particolare riguardo ai Transistors elettrochimici organici (OECT), che rappresentano il principale tipo di dispositivo utilizzato nel presente lavoro. Viene anche fornita una panoramica sulla Bioelettronica Organica, con un accento sulle recenti applicazioni degli OECT al bio-sensing e alla biologia cellulare. Questa parte del lavoro procede con la descrizione di argomenti relativi al rilevamento di bio-molecole e sistemi biologicamente rilevanti (melanine e nano- particelle, rispettivamente). Infine, vengono introdotti e discussi biofilm batterici e stress cellulare.

Il Capitolo 2 contiene una prima applicazione degli OECT, che ha comportato la rilevazione di una molecola pigmentosa, l’eumelanina. Le proprietà elettriche di quest’ultima sono state studiate anche sfruttando reazioni redox indotte tra essa e l'elettrodo di gate. L'analisi delle misure elettriche ha permesso di ottenere informazioni sulla stabilità e l'evoluzione di questa biomolecola in risposta allo stress elettrochimico. Tali modificazioni devono essere considerate alla base delle peculiari proprietà e del ruolo della melanina all'interno degli organismi biologici.

Nel Capitolo 3 viene descrittta una seconda applicazione degli OECT, riguardante la rilevazione e il monitoraggio di nanoparticelle magnetiche funzionalizzate con shell polimeriche (applicabili come sistemi di drug delivery o nell’ipertermia). Il monitoraggio della risposta elettrica degli OECT ha permesso di rilevare tali nano-sistemi in funzione della loro concentrazione. Gli OECT si rivelano, quindi, come un valido strumento per il monitoraggio in tempo reale e a basso costo di sistemi e sostanze in ambiente acquoso.

Il controllo dell’adesione e della formazione di biofilm batterici mediante polimeri conduttori è il tema centrale del Capitolo 4. In questa sezione, è stato studiato il ruolo delle proprietà di superficie sulla capacità del batterio E. coli di aderire e formare sistemi noti come biofilm. A tale scopo, un dispositivo basato sui conduttori organici PEDOT:PSS e PEDOT:Tos è stato progettato e costruito, al fine di sfruttare le proprietà conduttive di questi polimeri per modulare elettricamente le proprietà della superficie di adesione. Il risultato di questo progetto ha dimostrato che lo stato redox della superficie svolge un ruolo chiave nel promuovere (od ostacolare) la formazione di biofilm batterici. Questo ha permesso di ottenere nuove informazioni sulle tecnologie e sui metodi utilizzati per controllare i biofilm, i quali hanno spesso un impatto negativo (ma in alcuni casi anche benefico) sulla società.

Il tema del Capitolo 5 è l'interfacciamento di OECT con sistemi biologici, come cellule di mammifero, per sviluppare un sistema di rilevamento dello stress cellulare indotto da farmaci. A tal fine, è stato sviluppato un protocollo di misura, basato sull'integrazione di supporti microporosi con gli OECT, che ha consentito di monitorare la vitalità delle cellule in risposta a farmaci. Lo stress cellulare è stato monitorato analizzando la risposta elettrica degli OECT, una volta posti a contatto con le cellule formanti un tessuto barriera. Questa applicazione si propone di sviluppare un sistema diagnostico point-of-care per rilevamento in situ e in tempo reale della vitalità di cellule cancerose o normali in risposta a farmaci specifici.

Infine, il Capitolo 6 contiene alcune osservazioni conclusive sui risultati ottenuti in questo lavoro. Come ultima parte del capitolo, vengono fornite prospettive e speculazioni sui futuri sviluppi della Bioelettronica Organica.