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I biosensori sono dispositivi che sfruttano le reazioni biochimiche per rilevare e quantificare la concentrazione di uno o più analiti in un sistema. È stato dimostrato che i biosensori sono in grado di rilevare molecole di natura differente, tra cui acidi nucleici, proteine, microrganismi, polisaccaridi. Grazie a questa grande versatilità, essi trovano impiego in svariati ambiti e, nel settore clinico e biomedicale, possono essere utilizzati per la rilevazione di specifici marcatori per il monitoraggio di patologie. La loro capacità di fornire rilevazioni rapide ed accurate, limitando l’invasività della procedura, ne ha permesso la loro diffusione come strumenti diagnostici [20,61].
Un biosensore è composto da due elementi principali: il biorecettore, capace di riconoscere specificatamente l’analita [9,53], ed il trasduttore, che converte l’evento di riconoscimento in un segnale misurabile, generalmente ottico o elettrico. In base alla grandezza rilevata, i biosensori si classificano come: ottici, gravimetrici, elettrochimici e termici [20]. Tra i biosensori gravimetrici, nei quali viene rilevata la quantità di massa adesa, si trovano i sensori a onde acustiche che sfruttano l’effetto piezoelettrico [30,45]. I dispositivi che sfruttano le onde acustiche possono essere divisi in gruppi, in base alla modalità di diffusione dell’onda acustica: a onde acustiche in massa (Bulk Acoustic Waves, BAW), a onde acustiche di superficie (Surface Acoustic Waves, SAW), e a piastra acustica (Acoustic Plate Mode, APM)[30,45].
Una parte essenziale nello sviluppo di un biosensore è la funzionalizzazione della sua superficie, un processo che consiste nell’aggiunta di nuove funzioni, o abilità alla superficie materiale, modificando la sua chimica [7,51,61]. Tra le proprietà che possono essere finemente regolate si trovano: bagnabilità della superficie, biocompatibilità, capacità di sensing e l’antifouling [71]. Nello specifico, una tipologia di funzionalizzazione importante nello sviluppo di un biosensore è la biofunzionalizzazione. La biofunzionalizzazione avviene immobilizzando enzimi isolati, anticorpi, aptameri, tessuti, organelli o cellule intere sulla superficie del dispositivo, per l’ottenimento dello strato sensitivo [7,51,61].
Nonostante le ottime proprietà dei biorecettori, essi mostrano severe limitazioni nell’impiego legate principalmente alla loro bassa stabilità. Durante la procedura di biofunzionalizzazione, infatti, i biorecettori, subiscono processi chimici che possono danneggiarli. Inoltre, dopo essere stati immobilizzati, essi devono essere conservati in condizioni opportune per evitare il loro rapido deterioramento [4,48]. Tutto ciò comporta una limitata vita operativa del biosensore. Inoltre, la maggior parte dei biorecettori non sono riutilizzabili e presentano costi elevati. Per far fronte a queste problematiche, il biorecettore può essere sostituito con un elemento sintetico con caratteristiche di riconoscimento selettivo paragonabili o addirittura superiori a quelli posseduti dai sistemi biologici [7,51,61]. Una potenziale alternativa ai biorecettori è rappresentata dai polimeri ad impronta molecolare (Molecularly Imprinted Polymers, MIPs), ossia materiali di natura sintetica che presentano siti di riconoscimento per determinate molecole [5,15].
Nel mio lavoro di tesi ho preso parte alla realizzazione di un sistema da utilizzare per la rilevazione di biomarcatori presenti nei fluidi biologici. Il sistema è un recettore sintetico ad impronta molecolare in forma nanoparticellare, progettato per riconoscere selettivamente una specifica molecola templato [13,15]. Nello specifico, sono state realizzate e caratterizzate nanoparticelle ad impronta molecolare di tipo core-shell, costituite da un core sferico di silice ottenuto tramite la sintesi Stöber [38,61,67]. Il core selezionato è stato funzionalizzato per mezzo di una procedura detta silanizzazione [36], necessaria per introdurre sulla superficie della silice specifiche funzionalità chimiche. Infine, è stato sintetizzato uno shell polimerico attorno alle particelle di silice funzionalizzate in presenza di una molecola templato. Sono state condotte tre sintesi in maniera sistematica, con lo scopo di valutare l’effetto dei parametri della procedura di preparazione sulle performance dell’impronta molecolare ottenuta. La molecola templato utilizzata è la streptavidina, una proteina coinvolta in un noto meccanismo di riconoscimento molecolare selettivo con la biotina [2].
Dall’analisi delle nanoparticelle ad impronta molecolare ottenute non è stato possibile dimostrare e valutare le capacità di rilegare la molecola templato studiata. Non è stato possibile analizzare le particelle ottenute e quindi valutarne le performance a seguito di problemi sperimentali concernenti i test di caratterizzazione, come l’estrazione incompleta della molecola templato utilizzata in fase di sintesi. Nonostante la mancanza di caratterizzazione delle nanoparticelle ottenute, la letteratura è solida sull’argomento e numerosi sistemi, basati su polimeri imprintati verso la proteina Streptavidina sono stati ampiamente testati e hanno mostrato ottime capacità di rilegare la molecola templato, ponendo le basi per poter in futuro utilizzare tale tecnologia per il riconoscimento di biomarcatori differenti, tra cui la proteina fibrillare acida della glia (GFAP)[4,83,84].