Da vent'anni un gruppo di ricerca dell'Università della Campania Luigi Vanvitelli lavora su biosensori fotonici interdisciplinari, con brevetti, spin-off e milioni di euro di finanziamenti. Le applicazioni spaziano da virus e batteri a biomarcatori tumorali e inquinanti ambientali, ma il trasferimento tecnologico in Italia resta difficile.

Vent'anni di ricerca interdisciplinare tra chimica, biologia e ingegneria

In Italia, così come nel resto del mondo, le linee di ricerca stanno divenendo sempre più interdisciplinari. Un esempio lampante è l'integrazione delle nanotecnologie con la chimica, le biotecnologie, le scienze dell'informazione e la medicina.

La linea di ricerca sui biosensori fotonici è intrinsecamente transdisciplinare. Quando queste attività sono state avviate nel Dipartimento di Ingegneria dell'Università degli Studi della Campania "Luigi Vanvitelli", circa venti anni fa, l'interdisciplinarietà non solo era un tabù ma veniva addirittura "fortemente sconsigliata". In questi anni le condizioni culturali sono cambiate e si possono meglio apprezzare i risultati raggiunti dopo il superamento delle iniziali resistenze.

Lo sviluppo delle attività di ricerca portate avanti in questi decenni ha consentito di raggiungere grandi risultati, come il deposito di circa 20 brevetti tra nazionali ed internazionali e la pubblicazione di oltre 250 lavori scientifici su riviste internazionali ad elevato impatto. Da questa linea di ricerca sono nati anche due spin-off e sono stati attratti fondi per oltre 5 milioni di euro negli ultimi 5 anni. La linea di ricerca sviluppata sembra un paradigma della complessità di questo tempo, che spaventa ma, se dominata, evolve e trasforma il presente in futuro.

Nanosensori fotonici sensibili fino alla singola molecola

La linea di ricerca sui biosensori fotonici, costruita grazie a un gruppo di chimici, biologi, elettronici ed informatici, si occupa di progettare, realizzare ed applicare sul campo biosensori innovativi basati sulle nanotecnologie fotoniche e sulle tecnologie biochimiche, per la misura di molecole di interesse in scenari reali, quali biomarcatori tumorali, inquinanti emergenti, sostanze tossiche, patogeni, esplosivi e farmaci.

In concreto, la ricerca sviluppa nanodispositivi ad elevatissime prestazioni, tra i più sensibili al mondo, grazie all'uso di materiali innovativi come i polimeri al posto del classico silicio della nanoelettronica, e all'utilizzo di nanostrutture naturali in alternativa a quelle prodotte con la costosissima litografia elettronica (EBL).

Questo approccio ha reso il laboratorio uno dei centri di eccellenza a livello mondiale nello sviluppo di nanosensori fotonici semplici da realizzare, a basso costo e a prestazioni elevatissime. Mentre i sensori convenzionali misurano un range nanomolare, quelli sviluppati arrivano a un range atto molare, oltre un miliardo di volte più sensibile, con la capacità di misurare la singola molecola.

Dai virus ai batteri, test in dieci minuti con nanochip a basso costo

Questi nanochip, dal costo di qualche euro, vengono monitorati da semplici sistemi portatili collegabili a Internet, applicabili in campi come la biomedica, la medicina di precisione, la telemedicina, il monitoraggio ambientale, la sicurezza, la biodifesa, il food e l'automazione industriale. Tra gli esempi sviluppati e brevettati figurano nanosensori basati sul polline di girasole, sensori plasmonici a forma di cucchiaino, biosensori basati sulla stampa 3D o sulla cellulosa batterica e sensori a microcuvette in fibra ottica plastica per lab-on-chip.

Questi sensori vengono utilizzati per collaborare con gruppi scientifici e industriali internazionali su applicazioni reali, come i sensori per i virus SARS-CoV-2 ed RSV e per i batteri E. coli e Brucella. In una pubblicazione scientifica legata a una tecnologia sviluppata e brevettata è stata presentata la possibilità di usare nanochip basati sul polline per misurare, in soli 10 minuti e a basso costo, il virus SARS-CoV-2 con una sensibilità milioni di volte superiore alla tecnica gold standard RT-PCR, il cosiddetto tampone molecolare.

Sul tema dei biosensori per patogeni, rilevante anche una recente pubblicazione su una rivista del gruppo Nature sull'innovativo sensore per il virus RSV, la bronchiolite da virus respiratorio sinciziale, capace di misurare in 10 minuti la presenza del virus con un chip a fibre ottiche e una sensibilità mille volte superiore al gold standard RT-PCR. Sempre su una rivista del gruppo Nature, ottimi risultati sono stati ottenuti anche per la misura della Brucella, un patogeno di grande interesse per il settore agrifood campano, oltre che per l'E. coli nel latte o in mezzi acquosi.

Applicazioni in biomedica per tumori e malattie croniche

Numerosi brevetti e pubblicazioni scientifiche sono stati ottenuti anche nel campo della biomedica, con lo sviluppo di biosensori capaci di misurare biomarcatori di grande interesse, come le citochine, i biomarcatori tumorali e quelli per patologie quali la celiachia, la paradentosi, le malattie cardiovascolari e neurodegenerative.

Il sistema è basato su un lettore "universale" capace di monitorare biochip a basso costo, del tipo usa e getta, che costano meno di 10 euro e sono ognuno specifico per la molecola di interesse e per il proprio range applicativo.

Monitoraggio ambientale e la sfida del trasferimento tecnologico in Italia

Anche il filone dei biosensori fotonici per il monitoraggio ambientale ha riscontrato negli anni un grande successo scientifico, con numerosi brevetti e pubblicazioni, come i sensori sviluppati per il problema dei PFAS dal 2018 ad oggi, con prestazioni via via migliorate per adattarsi al cambiamento delle normative ambientali. Analogamente sono stati sviluppati sensori per il glifosato, per il furfurale, per i metalli pesanti e per il naftalene.

Tutti questi esempi di applicazioni in scenari reali indicano una linea di ricerca scientifica matura per il trasferimento tecnologico e quindi per creare opportunità di sviluppo economico e sociale, in particolare per l'Italia. Eppure non è facile "comunicare" con gli attori italiani, sia industriali che politici, che potrebbero essere direttamente o indirettamente interessati allo sfruttamento di questa tecnologia.

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Fonti

1. ScienceDirect
2. Nature
3. MDPI Chemosensors
4. Università degli Studi della Campania "Luigi Vanvitelli"