Electrical modeling and experimental studies of sensing systems for biological and biomedical applications

The core of my research activity during the Ph.D. period has been the detection of biological interactions phenomena using electrical transducers, i.e. biosensors. I have studied different aspects of the electrical transduction process, in order to optimize the detection by improving biosensors selectivity and frequency response. I have started my Thesis work by studying the fundamental theories of electrochemical interfaces between biosensor electrodes and liquid samples, e.g., Helmholtz double layer and Warburg frequency dispersion, in order to understand the electron transfer mechanisms in wet environment. The equivalent electrical modeling plays an important role in interpreting experimental electrochemical data. The net flow of electrical charges across an electrochemical interface is the result of several contributions: each of these processes can be modeled using a lumped parameters equivalent electrical circuit with a peculiar electrical impedance. By connecting these equivalent circuits in suitable networks, the frequency response of a complex electrochemical cell can be predicted. During my Ph.D. period I have further developed a simulation system that I started to implement during my Laurea Thesis: with this simulation system the electrical response of an electrode/electrolyte system is predicted using a pseudo-distributed method, i.e. with an interconnection of basic equivalent electrical circuits derived from the geometrical mesh of the simulated system. Each basic equivalent electrical circuit can have different electrical elements and custom topologies. The value of each electrical element, both passive (e.g., resistors and capacitors) and active (e.g., current generators), is determined through mathematical functions elaborated from experimental electrochemical measurements. This mesh-based approach permits to retain the geometrical information of cell and electrodes layout, that is particularly useful when simulating in-flow channel electrodes and microfluidic biosensors. Simulations and equivalent modeling techniques are also useful when designing biosensors layout. During my Ph.D. activity I used commercial biosensors and custom devices: in both cases, the interpretation of experimental data obtained from biosensors with different layouts have been performed by using equivalent electrical circuits modeling techniques, in order to assess the electromagnetic field distribution between electrodes and the influence of parasitics elements, like cross-talk capacitances and tracks intrinsic impedances. During my Ph.D. period I have contributed to develop, in collaboration with Next Step Engineering (University of Padova spin off), an innovative industrial process that allows to create microelectronic/microfluidic hybrid devices within a single, well-established, production line. With this process I have manufactured all the custom devices I used for my experimental activity. Moreover, this industrial process is the object of an Italian patent that is now pending: I have asked for a six months procrastination of my final discussion in order to write and submit the Italian patent for this innovation as one of the inventors. The feasibility of custom biosensors to biomedical and biological applications have been tested using impedance spectroscopy, voltammetric and amperometric measurements: electrical calibration curves have been obtained with standard electrolytes, i.e. solutions with knows electrical conductivity or redox potential, and relevant interferents species have been identified by measuring more complex solutions with various electrolytes and diluted substances. The biological application of custom biosensors have been developed in collaboration with other Departments of the University of Padova and Research Centers: • a genosensor for monitoring DNA hybridization has been developed in collaboration with San Bortolo Hospital (Vicenza, Italy); • an enzyme-modified biosensor for the detection of lactic acid has been studied with the Department of Biomedical Sciences (University of Padova, Italy) and Sapienza University (Roma, Italy); • a biosensor for both monitoring cells growth and studying electropermeabilization has been developed in collaboration with the Department of Biomedical Sciences (University of Padova, Italy). Recently, during the last part of my Ph.D., I studied another application of the electrical transduction of biological signals. In collaboration with Wetware Concepts (University of Padova spin off) and Dr. Quarta from Stanford University, I have contributed to develop a prototype of sensorized glove for the electrical transduction of force signals exerted by human hands. This prototype allows to monitor the functional rehabilitation process of patients with both mild and severe impairments, enabling the quantitative assessment of the functional rehabilitation protocol effectiveness. I have also contributed to further develop the prototype, in collaboration with I.R.C.S.S. San Camillo hospital (Venezia, Italy) and San Bortolo hospital (Vicenza, Italy), into a biofeedback system able to both measure the force exerted by patients hands and to correlate these data with those gathered from other medical equipments, e.g., electroencephalographs and electromyographs.

L’argomento principale dell’attività di ricerca che ho svolto durante il mio periodo di Dottorando in Scienza e Tecnologia dell’Informazione è stato la rilevazione di fenomeni di interazione biologica tramite trasduttori elettrici, ovverosia lo studio di dispositivi elettronici per applicazioni biosensoristiche. Ho studiato diversi aspetti del processo di trasduzione elettrica allo scopo di ottimizzare la rilevazione delle interazioni biologiche e migliorare le caratteristiche dei biosensori, quali ad esempio la selettività e la risposta in frequenza. Ho iniziato il mio lavoro di Tesi studiando le classiche teorie delle interfacce elettrochimiche fra elettrodi metallici e campioni liquidi, ad esempio la teoria del doppio strato di Helmholtz e la dispersione in frequenza di Warburg, per approfondire i meccanismi di trasferimento di carica elettrica in ambienti eterogenei. La modellizzazione elettrica a parametri equivalenti dei dati elettrochimici sperimentali è fondamentale per giungere a una loro interpretazione attendibile: il flusso di cariche elettriche attraverso un’interfaccia elettrochimica è il risultato di numerosi contributi, ciascuno dei quali può essere modellizzato utilizzando circuiti elettrici equivalenti con specifiche impedenze. Collegando questi circuiti equivalenti secondo appropriate topologie è possibile simulare la risposta in frequenza di complesse celle elettrochimiche. Durante il mio periodo di Tesi ho continuato a sviluppare il sistema di simulazione che avevo iniziato a implementare durante il mio periodo di Tesi di Laurea Specialistica: con questo sistema è possibile simulare la risposta elettrica di un sistema elettrodo/elettrolita utilizzando un metodo a elementi pseudo-distribuiti, cioè un’interconnessione finita di circuiti elettrici equivalenti locali la cui topologia viene determinata a partire dalla mesh della geometria della cella elettrochimica. Ciascun circuito elettrico locale può essere formato da diversi elementi elettrici, sia attivi che passivi, con una propria topologia. Il valore di ciascun elemento elettrico locale è determinato con funzioni matematiche ricavate da misure elettrochimiche sperimentali. Questo approccio di simulazione basato sulla mesh consente di preservare le informazioni geometriche legate alla forma degli elettrodi e della cella elettrochimica, che risultano particolarmente importanti quando è necessario simulare elettrodi in flusso oppure biosensori con componenti microfluidiche. Le simulazioni e le tecniche di modellizzazione elettrica risultano importanti anche qualora sia necessario progettare il layout di un biosensore. Durante la mia attività di Dottorato ho utilizzato sia biosensori disponibili commercialmente che dispositivi custom: in entrambi i casi, l’interpretazione dei dati sperimentali ottenuti da biosensori con layout differenti è stata eseguite con tecniche di modellizzazione elettrica equivalente, al fine di valutare la distribuzione del campo elettromagnetico fra gli elettrodi e l’influenza degli elementi parassiti del sistema di misura e del dispositivo, quali ad esempio le capacità di cross-talk e le impedenze elettriche dei contatti elettrici. Durante il mio periodo di Dottorato ho contribuito a sviluppare, in collaborazione con lo spin off dell’Università di Padova Next Step Engineering, un innovativo processo di produzione industriale che consente di creare dispositivi ibridi microelettronici/microfluidici idonei ad applicazioni biologiche all’interno di una singola linea produttiva automatizzata. Con questo processo ho prodotto i dispositivi custom che ho utilizzato per la mia attività sperimentale. Il processo di produzione è oggetto di un brevetto italiano attualmente in fase di deposito, di cui sono uno degli inventori, che ho scritto e sottomesso durante i sei mesi di proroga della discussione finale della Tesi che ho richiesto. La possibilità di utilizzare i biosensori elettrochimici custom per applicazioni biomediche e biologiche è stata verificata utilizzando misurazioni di spettroscopia di impedenza elettrochimica, tecniche voltammetriche e amperometriche: le curve di calibrazione dei vari dispositivi sono state ottenute utilizzando elettroliti standard per le varie applicazioni, cioè soluzioni con conducibilità elettrica e potenziali ossido-riduttivi noti, e l’influenza di interferenti in soluzione è stata valutata misurando matrici più complesse composte da vari elettroliti con sostanze disciolte. Le applicazioni biologiche dei biosensori custom sono state sviluppate in collaborazione con altri Dipartimenti dell’Università degli Studi di Padova e con centri di ricerca: • un biosensore per il monitoraggio dell’ibridazione di sequenze di DNA è stato sviluppato in collaborazione con l’Ospedale San Bortolo (Vicenza, Italia); • un biosensore enzimatico per la rilevazione di acido lattico è stato studiato in collaborazione con il Dipartimento di Scienze Biomediche (Università di Padova, Italia) e con il Dipartimento di Scienze Anatomiche e Istologiche (Università Sapienza, Roma, Italia); • un biosensore per monitorare la crescita cellulare e studiare il fenomeno di elettropermeabilizzazione della membrana cellulare è stato sviluppato in collaborazione con il Dipartimento di Scienze Biomediche (Università di Padova, Italia). Nell’ultimo periodo della mia attività di Dottorato ho studiato un’altra applicazione della trasduzione elettrica di segnali biometrici. In collaborazione con lo spin off dell’Università di Padova Wetware Concepts e con il Dr. Marco Quarta dell’Università di Stanford, ho contribuito a sviluppare un prototipo di guanto sensorizzato per la trasduzione elettrica della forza esercitata da mani umane. Questo prototipo permette di monitorare il processo di riabilitazione funzionale di pazienti con deficit sia lievi che severi, permettendo la valutazione quantitativa dell’efficacia dei protocolli di riabilitazione. Inoltre, ho contribuito a sviluppare ulteriormente il prototipo, in collaborazione con l’I.R.C.C.S. Ospedale San Camillo (Venezia, Italia) e con l’Ospedale San Bortolo (Vicenza, Italia), in un sistema basato su biofeedback in grado di misurare la forza esercitata da un paziente e di correlarla con dati provenienti da altri strumenti medici, quali elettroencefalografi ed elettromiografi.