Bioelettronica sostenibile per il cervello

Una piattaforma innovativa a base di grafene che combina in un unico dispositivo materiali sostenibili, capacità di rilevazione avanzate e stimolazione neurale. Presentato sulla rivista Advanced Materials, il nuovo sistema apre la strada a una nuova classe di interfacce neurali sostenibili: è biodegradabile e biocompatibile, realizzato in poli(acido lattico) (PLA) e ossido di grafene, prodotto con un processo a base acquosa e poi trasformato attraverso funzionalizzazione laser in dispositivi conduttivi.

L’innovazione nasce dal lavoro congiunto di ricercatori dell’Istituto per la Sintesi Organica e la Fotoreattività (ISOF) del CNR, insieme a studiosi dell’Università di Bologna, del CNR-ISMN, dell'Università Ca' Foscari di Venezia, dell’Università degli Studi di Ferrara e di altre istituzioni.

“Abbiamo sviluppato una piattaforma neurogliale multifunzionale ed ecosostenibile, capace sia di monitorare biomolecole rilevanti per il funzionamento del cervello sia di intervenire attivamente sui processi cellulari”, spiega Marco Caprini, professore al Dipartimento di Farmacia e Biotecnologie dell'Università di Bologna, che ha partecipato allo studio. “Il lavoro è il frutto di una collaborazione multidisciplinare tra il team dell'Università di Bologna, i gruppi di ricerca coordinati da Emanuele Treossi e Valentina Benfenati presso il CNR-ISOF e gli altri partner coinvolti nello studio, che ha unito competenze complementari nei campi della bioelettronica, dei materiali e delle neuroscienze”.

Gli elettrodi a base di grafene che compongono il sistema hanno una combinazione unica di proprietà. Da un lato, sono in grado di rilevare con elevata sensibilità neurotrasmettitori e altre molecole biologicamente rilevanti, e dall’altro sono capaci di interagire con gli astrociti: cellule gliali del cervello sempre più riconosciute come modulatori attivi delle funzioni cerebrali e delle loro alterazioni patologiche.

La piattaforma ha dimostrato eccellenti prestazioni nella rilevazione elettrochimica di neurotrasmettitori come adrenalina, dopamina e noradrenalina, superando le prestazioni dei convenzionali elettrodi commerciali a base di carbonio e mantenendo al contempo una completa biodegradabilità.

I ricercatori, inoltre, hanno dimostrato che lo stesso materiale è in grado di modulare selettivamente la segnalazione del calcio negli astrociti attraverso la stimolazione elettrica. Regolando le proprietà degli elettrodi in grafene ottenuti mediante scrittura laser, è stato possibile controllare l'intensità e la dinamica delle risposte astrocitarie, aprendo nuove opportunità per lo studio della comunicazione neurone-glia e per lo sviluppo di future terapie bioelettroniche.

“Questo risultato consolida una collaborazione scientifica ormai ventennale tra il Dipartimento di Farmacia e Biotecnologie dell'Università di Bologna e il CNR-ISOF”, aggiunge Caprini. “In questi anni abbiamo dimostrato come lo studio di materiali innovativi e tecnologie bioelettroniche dedicate agli astrociti possa generare nuove soluzioni per la diagnosi e il trattamento di patologie neurologiche complesse, tra cui l'Alzheimer e l'epilessia”.