Sviluppo di una innovativa strumentazione integrata per misure di impedenza ad alta sensibilità su nanosample - Spettroscopia di Bio-Impedenza
Author(s)
Bonuglia, Valeriano
Date Issued
October 27, 2022
Type
Doctoral Thesis
Abstract
Il presente lavoro di ricerca si propone di esplorare in modo approfondito
l’idea di Progetto NANO-S che ha dato vita allo sviluppo di una innovativa
strumentazione integrata per misure di impedenza ad alta sensibilità su
nano-sample, nascente anche dai rilevanti progressi in termini di
miniaturizzazione, resi possibili dalla tecnologia dei circuiti integrati, che
permettono di implementare sofisticati sistemi di misura su chip che sono
in grado di realizzare, in un componente di pochi millimetri, la maggior
parte delle funzioni disponibili con gli strumenti standard realizzati a
componenti discreti. Questo progetto rappresenta una sfida relativa alle misurazioni di impedenza su scala nanometrica e porterà alla nascita di una nuova gamma di applicazioni. Dunque, la tecnica di misurazione che verrà discussa in questa dissertazione, se adattata al micro e nano-scala, potrà fornire nuovi strumenti per le applicazioni industriali e per le ricerche sempre crescenti in molti campi di studio emergenti, come la scienza dei materiali e le applicazioni biomediche, della bioingegneria, microfonica ed energetiche.
Lo scopo di questo progetto di ricerca è di aiutare a colmare il divario tra la ricerca e l’applicazione clinica. Ciò viene realizzato progettando e descrivendo una gamma di tecnologie di bio-sensori per la rilevazione e la diagnostica delle malattie Genetiche ed Epigenetiche con la speranza di facilitare l’integrazione delle tecnologie di bio-sensori nella pratica clinica di queste patologie. Dunque un sistema capace di esplicare una rilevazione robusta, affidabile e quantitativa di biomarcatori a bassissima concentrazione è di grande importanza in ambito clinico.
L’impiego delle tecniche della spettroscopia di impedenza elettrica (EIS) nelle applicazioni biologiche e mediche, portano alla definizione di nuovi aspetti teorici e sperimentali che si traducono in nozioni essenziali per gli studi biologici, come l’interazione degli elettrodi metallici con la materia e i liquidi biologici, le strategie per aumentare l’impedenza elettrica, le strategie per aumentare la velocità di misura e la riduzione del rumore negli esperimenti di bio-EIS, ecc. Diversi esempi di successo di implementazioni pratiche di bio-EIS nella scienza e nella tecnologia come in quella del neonato BioFEVI sviluppato in questi tre anni di ricerca si traducono nel monitoraggio della salute dell’intero corpo e nella cura delle patologie visive mediante l’utilizzo di sensori, alle piattaforme per l’esame di singole cellule viventi e alla ricerca sulle malattie virali. Grazie al lavoro di questa ricerca nel campo della bio-EIS tutto questo ad oggi è reso possibile ma molto altro dovrà essere fatto. BioFEVI, un progetto sperimentale obsidiano di ingegneria biomedica per la rigenerazione anatomica e funzionale delle cellule uditive, in grado di fornire una valutazione dell’espressione e/o identificazione virale nelle ipoacusie neurosensoriali improvvise o in quelle patologie oncologiche inerenti al distretto testa-collo, è inoltre possibile valutare nel tempo l’espressione di determinate citochine o la variazione dell’alterazione tissutale dovuta a meccanismi infiammatori. BioFEVI Genomic project è una tecnologia di biosensing genomica e proteomica.
The present research work aims to explore in depth the idea of Project NANO-S that gave rise to the development of an innovative integrated instrumentation for high-sensitivity impedance measurements on nanosamples, arising in part from the significant advances in miniaturization made possible by integrated circuit technology, which make it possible to implement sophisticated on-chip measurement systems that are capable of realizing, in a component of a few millimeters, most of the functions available with standard instruments made from discrete components. This project represents a challenge related to impedance measurements at the nanoscale and will lead to the emergence of a new range of applications. So, the measurement technique that will be discussed in this dissertation, if adapted to the micro- and nano-scale, may provide new tools for industrial applications and ever-growing research in many emerging fields of study, such as materials science and biomedical, bioengineering, microphonic and energy applications.
The purpose of this research project is to help bridge the gap between research and clinical application. This is accomplished by designing and describing a range of bio-sensor technologies for the detection and diagnostics of Genetic and Epigenetic diseases with the hope of facilitating the integration of bio-sensor technologies into the clinical practice of these diseases. So a system capable of explicating robust, reliable, and quantitative detection of ultra-low concentration biomarkers is of great importance in the clinical setting.
The use of electrical impedance spectroscopy (EIS) techniques in biological and medical applications lead to the definition of new theoretical and experimental aspects that result in essential notions for biological studies, such as the interaction of metal electrodes with biological matter and fluids, strategies to increase electrical impedance, strategies to increase measurement speed and noise reduction in bio-EIS experiments, etc. Several successful examples of practical implementations of bio-EIS in science and technology such as that of the fledgling BioFEVI developed in these three years of research translate to whole-body health monitoring and treatment of visual diseases using sensors, to platforms for examining single living cells, and to research on viral diseases. Thanks to the work of this research in bio-EIS all this to date is made possible but much more will have to be done.
BioFEVI, an obsidian experimental biomedical engineering project for anatomical and functional regeneration of auditory cells, can provide assessment of viral expression and/or identification in sudden sensorineural hearing loss or in those oncological diseases inherent to the head and neck region, it is also possible to assess over time the expression of certain cytokines or the change in tissue alteration due to inflammatory mechanisms. BioFEVI Genomic project is a genomic and proteomic biosensing technology.
Additional information
Dottorato di ricerca in Engineering for energy and environment
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Name
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Size
13.42 MB
Format
Adobe PDF
Checksum (MD5)
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