Sensori basati su nanoreti per applicazioni mediche
In medicina, i biosensori sono usati per rilevare un particolare biomarcatore chimico, o una sequenza di DNA, che causa malattie o che è associato alla predisposizione a una malattia. Attualmente, le molecole di DNA possono essere quantificate solo utilizzando degli strumenti centralizzati e spesso costosi. Il fatto di essere in grado di fornire un monitoraggio decentrato, usando dispositivi a basso costo, renderebbe possibili dei controlli aggiuntivi più reattivi dell’evoluzione del tumore, trattamenti più personalizzati e una migliore cura del paziente. Per aiutare a rendere i biosensori applicabili in scenari di cura decentrati, il progetto Nanonets2Sense, finanziato dall’UE, ha esaminato il possibile uso di nanoreti per l’integrazione 3D di biosensori in una tecnologia per produrre circuiti integrati a bassa energia chiamati semiconduttori a ossido metallico complementari (CMOS). «I biochip a DNA di oggi si basano solitamente su una tecnica di etichettatura in cui le molecole di DNA del bio-campione sottoposto a test vengono dapprima contrassegnate mediante etichette fluorescenti in modo da poter visualizzare la loro immobilizzazione con la sonda corretta», spiega Mireille Mouis, ricercatrice del Centro nazionale francese per la ricerca scientifica (CNRS) e anche coordinatrice del progetto Nanonets2Sense. «Le attività di R&S adesso si concentrano su metodi senza marcature in cui l’interazione tra le molecole bersaglio e quelle sonda viene direttamente avvertita mediante la modifica delle proprietà elettroniche, ottiche o meccaniche del trasduttore».
Un dispositivo compatto
Le nanoreti sono matrici random di sottili e lunghe nanostrutture chiamate nanofili. Secondo Mouis, si è di recente scoperto che nanoreti fatte con nanofili di silicio oppure di ossido di zinco potrebbero essere fabbricate e rese conduttive usando un procedimento dal basso verso l’alto a basso costo. Il materiale risultante, che è semiconduttore, può essere usato come materiale attivo per applicazioni di biorilevamento. «Usando questo procedimento di fabbricazione, abbiamo creato dispositivi che mostrano alcune delle caratteristiche chiave dei promettenti sensori basati su nanofili, ma senza il costo dell’integrazione che ha ostacolato il loro sviluppo per l’uso con applicazioni di rilevamento», spiega Mouis. Il dispositivo compatto posiziona i sensori sopra il circuito di visualizzazione, mettendo così i sensori in contatto diretto con le biomolecole che vengono rilevate. Questa progettazione non solo garantisce che i componenti elettronici di visualizzazione e trattamento a livello del CMOS in silicio siano protetti dai fluidi, ma significa anche che essi possono essere collegati verticalmente attraverso la parte posteriore del wafer CMOS. Questo consente un instradamento compatto, che a sua volta potrebbe consentire la visualizzazione di grandi matrici di sensori, una caratteristica che può migliorare l’affidabilità del rilevamento.
Tracciare una nuova rotta
Iniziando da una tecnologia molto semplice, il progetto Nanonets2Sense è riuscito a creare e convalidare tutti gli innovativi componenti tecnologici necessari per potenziare la funzionalità del chip CMOS con biosensori basati su nanoreti. Anche lo schema di visualizzazione è nuovo. «Prima di questo progetto non c’era stato praticamente nessun tentativo di sviluppare dispositivi decentrati basati su nanoreti di silicio oppure di ossido di zinco, il campo era in gran parte inesplorato», afferma Mouis. «Il nostro obiettivo finale era quello di realizzare una piena integrazione 3D di biosensori su CMOS, e ora abbiamo la tecnologia necessaria per completare questa integrazione in un contesto rilevante dal punto di vista industriale».
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