ITMI20150145A1

ITMI20150145A1 - An organic transistor-based system for electrophysiological monitoring of cells and method for the monitoring of the cells

Info

Publication number: ITMI20150145A1
Application number: ITMI2015A000145A
Authority: IT
Original assignee: Univ Degli Studi Cagliari; Univ Degli Studi Genova
Priority date: 2015-02-04
Filing date: 2015-02-04
Publication date: 2016-08-04
Also published as: WO2016124714A1; EP3254096B1; EP3254096A1; US10739304B2; US20180031520A1

Description

Descrizione

Sistema basato su transistor organico per il monitoraggio elettrofisiologico delle cellule e metodo per monitorare le cellule

Campo tecnologico

La presente invenzione e? relativa ad un sistema basato su un transistor organico concepito per monitorare cellule viventi e ad un metodo per realizzare questo monitoraggio. Il sistema e il metodo costituiscono un mezzo per rilevare variazioni di carica relativamente piccole e dinamiche come quelle relative all?attivit? elettrofisiologica, con grande accuratezza.

Contesto tecnologico

La connessione efficace tra tessuti cellulari e piattaforme tecnologiche ? cruciale per il successo di molte applicazioni bioniche come le protesi neurali e i sistemi ibridi per studiare il processamento delle informazioni nelle reti neuronali. Inoltre, la recente attenzione per sistemi usa-e-getta, a basso costo ed affidabili per saggi di tossicit? in vitro ad alta resa e per applicazioni farmacologiche sta diventando una richiesta urgente a causa delle nuove guide regolatorie internazionali sui test (sia in Europa che negli Stati Uniti). Perci? l?ingegnerizzazione della cosiddetta interfaccia bioelettronica ? oggetto di molte ricerche sia tecnologiche che di base e applicate. Specificatamente in relazione all?interfaccia cellula nervosa e sistemi elettronici, due diversi tipi di dispositivi sono stati estensivamente studiati negli ultimi 30 anni, precisamente gli array di micro elettrodi e i dispositivi ad effetto di campo.

Piu? recentemente, i semiconduttori organici hanno attratto considerevole interesse in questo campo (si veda ad esempio Simon D.T. et al, Nature Material 8, 742-746 (2009)) poich? essi hanno il potenziale di soddisfare molti requisiti critici per applicazioni biomediche e biotecnologiche come ad esempio la biocompatibilit?, la flessibilit? meccanica, la trasparenza ottica. Inoltre, i dispositivi basati sui semiconduttori organici possono essere fabbricati su substrati di plastica, flessibili, a basso costo, con risoluzione micrometrica, su grandi aree, e usando tecnologie efficienti dal punto di vista economico. Tutte queste caratteristiche potrebbero permettere di risolvere una vasta variet? di nuove problematiche a partire da quelle relative alla biologia cellulare in vitro e in vivo e di risolvere problemi irrisolti di adattabilit? meccanica (per esempio permettendo l?introduzione di un?alta densit? di trasduttori flessibili nei cateteri) oppure di analisi multi-parametrica su scala microscopica (ad esempio con la realizzazione di piatti di Petri sensorizzati). Finora, oltre ad elettrodi passivi realizzati con polimeri conduttori organici, sono stati principalmente proposti dei transistor elettrochimici (OECT) (si veda ad esempio Khodagholy et al. Nature Communication, 4 (2013)) a causa della loro capacit? di condurre cariche ioniche ed elettroniche e di essere fatti funzionare in liquido a tensioni molto basse, il che rappresenta un vincolo cruciale in presenza di cellule viventi o tessuti biologici. I transistor a effetto di campo a film sottile organico (OTFT) non sono stati finora impiegati per questo scopo per due ragioni principali: 1) perche? normalmente necessitano di lavorare a tensioni relativamente alte (di solito decine di volt); 2) perche? la mobilit? dei portatori di carica nei transistor organici e? di ordini di grandezza inferiore a quella misurata nelle loro controparti inorganiche e ci? pone un limite all? intervallo di frequenza dei segnali elettrici che possono essere applicati come ingresso agli amplificatori organici.

Molto recentemente ? stato fatto un tentativo (Benfenati et al. Nature Material, 12, 672-680 (2013)) ma di fatto il transistor organico impiegato negli esperimenti riportati nell?articolo ? stato sempre fatto funzionare nello stato spento e perci? questo esempio non pu? essere descritto come un vero trasduttore amplificante dell?attivit? cellulare.

Sommario dell?invenzione

Lo scopo della presente invenzione ? quello di rendere disponibile un sistema ottimizzato, preferibilmente basato su una pluralit? di transistor organici a film sottile, che sia capace di misurare, nel mezzo extracellulare, i segnali elettrofisiologici di cellule viventi. Inoltre, nella presente invenzione e? anche compreso un metodo per questo monitoraggio. L?invenzione si riferisce anche ad un metodo per eccitare elettricamente tali cellule per mezzo di uno stimolo e, opzionalmente, misurare la risposta allo stimolo.

Al fine di misurare i segnali provenienti da cellule viventi, il sistema dell?invenzione ? preferibilmente fatto lavorare a basse tensioni cio? a tensioni che preferibilmente stanno nell?intervallo tra circa 0.5 e circa 2 Volt. Inoltre, il metodo e il sistema lavorano senza alcun elettrodo di riferimento esterno. Infine, preferibilmente, il metodo ed il sistema amplificano segnali nell?intervallo di frequenze caratteristiche dell?attivit? elettrica delle cellule, cioe?, preferibilmente, in un intervallo compreso tra 1 e 1000 Hertz (intervallo operativo dei segnali provenienti dalle cellule).

Secondo il primo aspetto, l?invenzione si riferisce ad un sistema basato su transistor organico per il monitoraggio elettrofisiologico delle cellule che include:

- Una pluralit? di transistor organici, ciascun transistor organico della pluralit? comprendente:

o Un elettrodo di gate flottante;

o Un elettrodo di source e un elettrodo di drain;

o Un semiconduttore organico;

o Uno strato isolante fabbricato tra detti elettrodi di source e drain, e detto elettrodo di gate flottante, detto strato isolante avente o uno spessore compreso tra circa 1 nm e circa 100 nm o una capacit? per unit? di area compresa tra circa 10 nF/cm2 e circa 150 nF/cm2;

- Un?area sensibile, detta area sensibile comprendente una prima porzione dell?elettrodo di gate flottante di ciascuno di detti transistor organici di detta pluralita?, detta area sensibile essendo atta ad essere in prossimit? oppure in contatto con dette cellule da monitorare;

- una barriera che separi meccanicamente detta area sensibile dal resto del sistema;

In cui ciascuno di detti i transistor organici di detta pluralit? include inoltre

- Un elettrodo di gate di controllo accoppiato ad una seconda porzione di detto elettrodo di gate flottante esterna a detta area sensibile per mezzo di un capacitore, detto elettrodo di gate di controllo essendo separato da detto elettrodo di gate flottante da detto strato isolante, detto elettrodo di gate di controllo essendo atto a fissare un punto di lavoro del transistor organico cui l?elettrodo di controllo appartiene per mezzo di una tensione ad esso applicata.

In merito ad un secondo aspetto, l?invenzione e? relativa ad un metodo per rilevare l?attivit? elettrica delle cellule, essendo dette cellule posizionate su un?area sensibile, per mezzo di un sistema che include

o un elettrodo di gate flottante;

o un elettrodo di source e un elettrodo di drain;;

o un semiconduttore organico;

o uno strato isolante realizzato tra detti elettrodi di source e di drain; e detto elettrodo di gate flottante, detto strato isolante avente o uno spessore compreso tra circa 1 nm e circa 100 nm o una capacita? per unita? di area compresa tra circa 10 nF/cm2 e circa 150 nF/cm2;

o un elettrodo di gate di controllo separato da detto elettrodo di gate flottante da detto strato isolante;

- detta area sensibile che include una prima porzione dell?elettrodo di gate flottante di ciascuno di detti transistor organici di detta pluralit?, detta area sensibile essendo atta ad essere in prossimit? di oppure in contatto con dette cellule da monitorare; e detto elettrodo di gate di controllo essendo accoppiato ad una seconda porzione di detto elettrodo di gate flottante esterna a detta area sensibile per mezzo di un capacitore;

- una barriera che separa meccanicamente detta area sensibile e il resto del sistema

il metodo comprende i seguenti passi:

- fissare un punto di lavoro per ciascun transistor organico applicando una tensione al rispettivo elettrodo di gate di controllo appartenente a ciascun transistor organico;

- misurare la corrente di drain di ciascun transistor organico della pluralit?;

- verificare le variazioni della corrente di drain di ciascun transistor organico causate dalla redistribuzione di carica nel corrispondente elettrodo di gate flottante dovuta all?attivit? elettrica delle cellule.

Il sistema dell?invenzione include un?area sensibile. L?area sensibile ? il luogo in cui le cellule sono posizionate e/o messe in coltura. Il monitoraggio delle cellule pu? essere realizzato per esempio anche in vivo oppure su fettine di tessuto, come ad esempio fettine di cervello. I segnali provenienti da queste cellule sono considerati come variazioni di carica elettrica e sono rilevati usando una pluralit? di transistor. L'area sensibile ? isolata dal canale attivo di ciascun transistor per mezzo di una barriera, onde evitare diversi svantaggi relativi alla misura di segnali in ambiente liquido per mezzo di dispositivi organici come ad esempio la scarsa stabilit? dei semiconduttori organici quando vengono esposti ad umidit? e ossigeno. Ciascun transistor ? preferibilmente un transistor organico a film sottile e - come di norma -include dispositivi a tre terminali comprendenti degli elettrodi di gate (G), di source (S) e di drain (D). L?elettrodo di gate di ciascun transistor della pluralit? e? elettricamente isolato creando cos? un gate flottante. Questo isolamento ? ottenuto interponendo uno strato isolante tra l?elettrodo di gate flottante e gli elettrodi di drain/source. Inoltre ciascun transistor include un elettrodo di gate di controllo (CG). Il gate di controllo e il gate flottante sono elettricamente isolati l?uno dall?altro, ad esempio per mezzo di uno strato isolante (quello interposto tra l?elettrodo di gate flottante e gli elettrodi di drain/source oppure uno differente). Inoltre, nella pluralit? di transistor organici, gli elettrodi di gate di controllo sono tutti elettricamente isolati l?uno rispetto all?altro. L?elettrodo di gate di controllo ? capacitamente connesso all?elettrodo di gate flottante.

Come detto, ciascun transistor della pluralit? e? un transistor organico in cui un semiconduttore organico ? depositato in modo da creare un ponte tra gli elettrodi di source e di drain. Preferibilmente il transistor organico ? esso stesso separato dall?elettrodo di flottante gate attraverso uno strato isolante, lo stesso oppure un altro rispetto a quello descritto sopra. Il semiconduttore organico pu? essere un polimero coniugato oppure un oligomero. Una tensione VGS ? applicata all?elettrodo di gate di controllo per controllare la quantit? di carica accumulata all?interfaccia tra il semiconduttore e lo strato isolante; una tensione VDS ? applicata tra drain e source per indurre il flusso di corrente (IDS) tra source e drain .

Nel seguito:

VGS: tensione applicata tra l?elettrodo di gate di controllo e l?elettrodo di source;

VDS: tensione applicata tra gli elettrodi di source e di drain;

VFG: tensione dell?elettrodo di gate flottante.

Preferibilmente 0<VDS ? 3 Volt e/o preferibilmente 0<VGS ? 3 Volt. Il transistor controlla il flusso di elettroni oppure di lacune dal Source al drain influenzando la densit? di carica di un ?canale conduttivo?, in questo caso il semiconduttore organico, creato e influenzato dalla tensione (o l?assenza di tensione) applicata tra l?elettrodo di gate di controllo e l?elettrodo di source.

L?elettrodo di gate di controllo percio? fissa il punto di lavoro del transistor per mezzo di una tensione di controllo ad esso applicata.

La tensione di controllo applicata ad esso significa in una delle realizzazioni del sistema e/o del metodo dell?invenzione la tensione VGS applicata tra l?elettrodo di gate di controllo e l?elettrodo di source. Per esempio l?elettrodo di source pu? avere un potenziale pari a zero, cos? anche la differenza di potenziale VGS = VCG applicata all?elettrodo di gate di controllo. Il ?punto di lavoro? in questo specifico caso si riferisce alla corrente che scorre tra source e drain, anche chiamata corrente di uscita del transistor. La tensione applicata all?elettrodo di gate di controllo fissa la corrente di uscita statica del transistor (?statica? nel senso che questa corrente ? misurata non durante la fase di misura dell?attivit? cellulare). Perci?, applicando una tensione all?elettrodo di gate di controllo, si pu? fissare preliminarmente una corrente di uscita di ciascun transistor.

Il semiconduttore organico che forma il canale pu? essere qualunque semiconduttore usato nel campo per la realizzazione di un transistor organico. Come esempi, il semiconduttore organico pu? includere un sistema aromatico o altrimenti un sistema coniugato n-electron, che faciliti la delocalizzazione delle funzioni d?onda orbitali. Gruppi che accettano oppure donano elettroni possono essere attaccati in modo da facilitare il trasporto di elettroni o lacune. Questi materiali aromatici oppure coniugati usati come strati semiconduttori possono includere piccole molecole come per esempio rubrene, tetracene, pentacene, diindenoperylene, perylenediimide, tetracyanoquinodimethane, C60, quaterthiophene, ?sexithiophene, ?, ?-dihexylsexithiophene, polimeri come polythiopheni (specialmente poly 3-hexylthiophene), polyfluorene, polydiacetylene, poly 2,5-thienylene vinylene, poly pphenylene vinylene, e tutti i loro derivati. Un?implementazione preferenziale include pentacene e suoi derivati, come esempio TIPS pentacene.

Lo spessore del semiconduttore organico e? sostanzialmente non rilevante per ottenere l?obiettivo dell?invenzione, una implementazione preferenziale include uno strato di semiconduttore organico di spessore compreso tra 5 nm e 50 nm, pi? preferibilmente tra 10 nm e 20 nm. Alternativamente, con semiconduttori depositati da fase liquida, lo spessore dello strato semiconduttore ? preferibilmente superiore a 100 nm.

Lo strato dielettrico isolante di gate (chiamato nel seguito strato isolante o strato dielettrico senza alcuna differenza di significato) tra l?elettrodo di gate flottante e il semiconduttore organico ha preferibilmente le seguenti caratteristiche.

La relazione tra la corrente di drain e le varie caratteristiche e tensioni applicate al transistor organico ? interpretata attraverso la teoria convenzionale dei semiconduttori, che riproduce l?andamento generale delle caratteristiche del transistor organico:

da cui la corrente di saturazione ?

dove Ci ? la capacit? per unit? di area dell?isolante di gate, ?p ? la mobilit? del portatore di carica e VTH ? la tensione di soglia. La corrente di drain dipende - tra le altre cose - dalla differenza di potenziale tra l?elettrodo di gate di controllo e l?elettrodo di source.

Da questa equazione, ? chiaro che diversi parametri possono essere variati in modo da ottenere una corrente di drain significativa con basse tensioni applicate. Uno di questi parametri ? la capacit?.

La capacit? tra l?elettrodo di gate flottante e gli elettrodi di source e drain ? inversamente proporzionale allo spessore dello strato dielettrico o isolante, cosicch? la tensione che deve essere applicata al gate per controllare la conduttanza del canale ? tanto pi? alta quanto pi? spesso ? lo strato dielettrico. Perci?, per ridurre la tensione operativa del transistor organico, una prima possibilit? ? quella di ridurre lo spessore dell?isolante.

Tuttavia, riducendo lo spessore dell?isolante si riduce anche la resistenza tra gli elettrodi posizionati sulle facce opposte dello strato isolante, come ad esempio l?elettrodo di gate flottante e i contatti di source e drain, questo aumenta la perdita del transistor e perci? l?entit? delle correnti indesiderate. Per questo motivo lo spessore dello strato isolante non pu? essere piccolo a piacere. Percio? lo spessore dello strato dielettrico non puo? essere indefinitamente piccolo.

Preferibilmente lo spessore dello strato isolante ? compreso tra circa 1 nm e circa 100 nm. In un altro esempio, lo strato isolante ha una capacit? per unit? di area che ? compresa tra circa 10 nF/cm2 e circa 150 nF/cm2 il che porta ad avere una corrente piuttosto elevata con basse tensioni. Valori anche pi? elevati di capacit? sono possibili tuttavia il processo di fabbricazione dello/gli strato/i isolante/i puo? diventare inaffidabile con un?alta percentuale di strati che non obbediscono alle specifiche richieste.

Un vincolo importante per impiegare questo sistema di transistor con cellule viventi (specialmente quando si voglia lavorare con interfacce in vivo) ? che le tensioni statiche applicate siano preferibilmente mantenute pi? piccole possibili in modo da ridurre i rischi di processi elettrochimici indesiderati e di aumentare la sensibilit? del dispositivo. Al fine di soddisfare questo vincolo e di ottimizzare l?interfaccia tra la cellula e il transistor per rilevare segnali elettrofisiologici extracellulari di piccola ampiezza e rapidamente variabili, la struttura del transistor a bassa tensione deve essere riprogettata.

In particolare, lo strato isolante viene preferibilmente fabbricato con le caratteristiche sopramenzionate, in termini di intervallo di spessore oppure di capacit? per unit? di area.

Sebbene un singolo transistor organico possa essere sufficiente per misurare i segnali dalle cellule indicanti la loro attivit?, una pluralit? di transistor organici viene usata nel sistema dell?invenzione. In effetti, una pluralit? di transistor permette una migliore mappatura spaziale delle locazioni di attivit? cellulare. In altre parole, una pluralit? di transistor permette di formare una mappa bidimensionale dell?attivit? delle cellule all?interno dell?area sensibile: in effetti nell?area sensibile c?e? una pluralit? di ?prime porzioni? di diversi elettrodi di gate flottanti appartenenti a diversi transistor e perci? un segnale dovuto all?attivit? delle cellule, dipendentemente da dove ? rilevato, pu? essere localizzato spazialmente. Inoltre, come sar? meglio spiegato nel seguito, i transistor possono essere usati non solo per rilevare segnali da cellule ma anche per mandare uno stimolo alle cellule stesse. In questo modo la corrispondente reazione delle cellule allo stimolo pu? essere rilevata e spazialmente localizzata in una matrice bidimensionale di punti (un punto per ogni transistor).

Per esempio, l?area sensibile, circondata da una barriera, viene bagnata con il mezzo di coltura in cui sono presenti le cellule. Il mezzo di coltura viene a contatto con tutte le porzioni di gate flottante appartenenti alla pluralit? di transistor.

Una prima porzione del gate flottante di ciascun transistor ? localizzata dentro l?area sensibile a contatto con le cellule. Le variazioni di carica ionica che avvengono in stretta prossimit? dell?area sensibile determinano una separazione di carica nell?elettrodo di gate flottante, portando a loro volta ad una modulazione della densit? di portatori di carica dentro il canale del transistor. Questa variazione di carica nell?elettrodo di gate flottante, dovuta all?attivit? cellulare, ? chiamata ?Qsense?.

Il punto di lavoro di ciascun transistor organico ? fissato per mezzo dell?elettrodo di gate di controllo che forma un capacitore di controllo con l?elettrodo di gate flottante. In effetti, una seconda porzione dell?elettrodo di gate flottante di ciascun transistor organico della pluralit? forma un capacitore con il corrispondente elettrodo di gate di controllo dello stesso transistor. Infatti, il potenziale VFG dell?elettrodo di gate flottante dipende dalla tensione VCG applicata tra l?elettrodo di gate di controllo e l?elettrodo di source, dalla tensione VD applicata all?elettrodo di drain, dalla tensione VS applicata all?elettrodo di source, dalle capacit? presenti nella struttura, e dalla carica Q0 intrappolata nel gate flottante durante il processo di fabbricazione, come descritto nella seguente espressione:

(1)

dove VFG ? la tensione dell?elettrodo di gate flottante.

Considerando tutti i termini costanti, a parte la carica QSense (che dipende come detto dai segnali provenienti dalle cellule), la modulazione dell?effetto di campo pu? perci? essere descritta in termini di una variazione della tensione di soglia del dispositivo:

essendo Qsense la carica accoppiata all?area sensibile, e CTOT = CCF+CSF+CDF la somma di tutte le capacit? della struttura (cio? la capacit? di controllo CCF e le componenti parassite dovute alla sovrapposizione tra gate flottante e contatti metallici che stanno sulle parti opposte dello strato di elettrico, CSF e CDF). La modulazione della tensione di soglia attraverso la carica Qsense e? il meccanismo che pu? essere impiegato per rilevare tutte quelle reazioni chimiche e biologiche che determinino una variazione di carica sopra o nella prossimit? dell?area sensibile. In altre parole, la tensione di soglia dipende da Qsense il che significa che la tensione di soglia varia a seconda della attivit? cellulare che pu? essere cos? valutata misurando la corrente di drain IDS.

Nella applicazione specifica cui si riferisce questa domanda di brevetto, cio? il monitoraggio dell?attivit? elettrica delle cellule, la variazione di carica da rilevare attraverso il sistema non ? una variazione quasi statica di carica ma ? relativa allo spostamento rapido di ioni che avviene attraverso la porzione di membrana cellulare posta in prossimit? dell?area sensibile durante un potenziale di azione. Questa piccola variazione di carica porta ad una redistribuzione della carica sull?elettrodo di gate flottante, modulando cos? la densit? dei portatori di carica dentro il canale del transistor. Di conseguenza, si ottiene una variazione della corrente di uscita (cio? una variazione di IDS) che pu? essere processata da un opportuno circuito di lettura. Essendo il punto di lavoro di ciascun transistor organico del sistema fissato per mezzo dell?elettrodo di gate di controllo, il sistema non richiede un elettrodo di riferimento addizionale o esterno, superando cos? uno dei principali svantaggi dei MEA e dei dispositivi standard di tipo FET e di tipo OTFT. Questa particolare caratteristica, insieme ai vantaggi dati dall?uso di materiali organici, rende questo dispositivo un candidato eccellente per realizzare interfacce bioelettroniche avanzate per applicazioni in vivo.

Cos? ciascun transistor organico della pluralit? ha due elettrodi di gate: il primo - l?elettrodo di gate flottante - usato come area sensibile (la prima porzione di ciascun elettrodo di gate flottante ? localizzata dentro l?area sensibile) per rilevare le variazioni di carica dovute all?attivit? delle cellule, e un secondo - l?elettrodo di gate di controllo - per polarizzare opportunamente il transistor organico portandolo al punto di lavoro desiderato. Il transistor organico pu? cos? essere acceso o spento a piacere.

Perci?, il sistema dell?invenzione e il metodo che usa la pluralit? di transistor dell?invenzione, per come viene costruito ciascun transistor organico della pluralit? permette di evitare la presenza di un elettrodo di riferimento esterno. Generalmente, questi elettrodi di riferimento sono piuttosto ingombranti. Inoltre, nel caso in cui sia presente l?elettrodo di riferimento, un singolo elettrodo di riferimento comune a tutti i transistor deve essere condiviso tra tutti a causa del fatto che nell?area sensibile ? presente il mezzo di coltura che ? in contatto con tutti i gate flottanti e perci? la polarizzazione imposta dall?elettrodo esterno viene imposta e condivisa da tutti gli elettrodi di gate flottante di tutti i transistor. Secondo il sistema e il metodo dell?invenzione, ciascun transistor organico pu? essere appropriatamente polarizzato attraverso il proprio specifico elettrodo di gate di controllo. Le tensioni di soglia dei vari transistor possono essere diverse a causa di possibili variazioni del processo di fabbricazione. Tuttavia, la corrente tra source e drain di ciascun transistor dipende dalla differenza tra la tensione del gate di controllo e la tensione di soglia. ? possibile avere la stessa corrente di drain IDS solo se la menzionata differenza di potenziale ? la stessa per tutti i transistor. Cio? a sua volta significa che sarebbe desiderabile selezionare una differente tensione del gate di controllo per ciascun transistor, in modo che sia mantenuta costante tale differenza per tutti i transistor anche in caso di variazioni della tensione di soglia. L?elettrodo di gate di controllo percio? ? utile per applicare il corretto valore della tensione di controllo VGS al transistor cui appartiene, in modo che la differenza sia mantenuta sostanzialmente identica per tutti i transistor organici della pluralit?. Inoltre, gli elettrodi di gate di controllo possono essere integrati nello stesso substrato cos? come le rimanenti parti del transistor organico. Variazioni della corrente di drain di ciascun transistor organico dovute all?attivit? cellulare possono essere misurate una volta che sia noto che i transistor siano - dal punto di vista dalla misura - tutti identici tra loro.

Inoltre, la fabbricazione e il progetto dello strato isolante permettono ai transistor organici della pluralit? di lavorare a tensioni molto basse.

In questo modo, il sistema e il metodo dell?invenzione permettono di rilevare l?attivit? delle cellule viventi. Tutti i transistor organici sono di preferenza polarizzati individualmente per mezzo dell?elettrodo di gate di controllo che appartiene a ciascun transistor e con una tensione bassa. L?attivit? delle cellule pu? essere mappata in una matrice bidimensionale a causa della presenza di una pluralit? di ?prime porzioni? di una pluralit? di elettrodi di flottante gate che appartengono a transistor differenti. In effetti, le prime porzioni di tutti gli elettrodi di gate flottante sono localizzate all?interno dell?area sensibile in cui le cellule vengono fatte crescere. Le varie ?prime porzioni? formano sostanzialmente un array di sensori le cui posizioni sono note e perci? quando esse rilevano un segnale proveniente dalle cellule, anche la/e localizzazione/i del segnale ?/sono nota/e. La mappatura bidimensionale dell?attivit? delle cellule ? perci? possibile mantenendo i segnali che provengono dalle prime porzioni degli elettrodi del gate flottante separati tra loro.

Un singolo transistor del sistema che include la pluralit? di transistor che formano un array, chiamato Transistor a Effetto di Campo Organico a Modulazione di Carica (OCMFET) ? schematicamente rappresentato in fig.1a. E? mostrata solo la porzione dell?area sensibile, in cui le cellule sono depositate o coltivate. Il transistor ? preferibilmente un transistor a film sottile a gate flottante OTFT (Fig. 1), il cui punto di lavoro ? fissato per mezzo di un capacitore di controllo (Fig 1b). Il punto di lavoro ? fissato applicando un opportuno valore di VGS (tra l?elettrodo di gate di controllo e l?elettrodo di source) e un opportuno valore di VDS (tra gli elettrodi di drain e di source) in modo da ottenere il valore desiderato di IDS (vedi grafico di IDS in funzione del tempo sulla destra della Fig. 1b). La fluttuazione della carica sopra l?area sensibile determina una redistribuzione di carica all?interno dell?elettrodo di gate flottante, che modula la densit? dei portatori di carica dentro il canale del transistor. Come conseguenza, si ottiene una variazione della corrente di uscita di ciascun transistor, la corrente di drain IDS, come mostrato nel grafico sulla destra della Fig. 1c. La prima porzione dell?elettrodo di gate flottante su cui le cellule vengono coltivate ? ad esempio esposta, come interfaccia diretta, all?ambiente circostante bio-elettro-chimico. In particolare, le variazioni di carica ionica che avvengono nella vicina prossimit? dell?area sensibile determinano una separazione di carica nel gate flottante portando a loro volta ad una modulazione della densit? di carica all?interno del canale del transistor.

L?invenzione secondo il primo o il secondo aspetto pu? includere ciascuna delle seguenti caratteristiche sia in alternativa che in combinazione.

Preferibilmente, il punto di lavoro di tutti i transistor della pluralit? ? fissato sostanzialmente identico.

Per esempio, il sistema pu? includere un elemento di comparazione adatto a selezionare una pluralit? di dette tensioni di controllo, ciascuna tensione di controllo essendo applicata al rispettivo elettrodo di gate di controllo di ciascuno dei transistor della pluralit?, dette tensioni di controllo essendo state selezionate in modo tale che tutti i transistor organici della pluralit? abbiano una corrente di drain sostanzialmente identica quando l?attivit? delle cellule non viene monitorata.

Come menzionato, uno dei vantaggi di avere ciascun transistor organico della pluralit? con un elettrodo di gate di controllo ? che gli elettrodi possono essere polarizzati individualmente e il loro punto di lavoro pu? essere selezionato indipendentemente. A causa delle tolleranze nel processo di produzione, tutti o alcuni transistor possono necessitare di essere polarizzati con delle tensioni differenti in modo da produrre la stessa corrente di drain, il che significa che quando non viene misurata l?attivit? delle cellule tutti i transistor della pluralit? hanno sostanzialmente la stessa corrente di drain IDS.

Ciascun transistor organico della pluralit? perci? ? preferibilmente calibrato e le correnti di drain dei vari transistor vengono comparate, per esempio per mezzo di un elemento comparatore, cio? un elemento circuitale, in modo che le correnti di uscita statiche dei transistor quando non sono nello stato di monitoraggio operativo, siano molto simili.

Preferibilmente, la sovrapposizione tra elettrodo di source, elettrodo di drain e elettrodo di gate flottante ? minore del 3% di un?area W X L, dove L ? una distanza tra gli elettrodi di source e drain e W ? una larghezza degli elettrodi di source o di drain.

Preferibilmente, W ? compresa tra 5 mm e 25 mm e L ? compresa tra 10 ?m e 100 ?m.

Questa area ? sostanzialmente l?area del canale del transistor.

Come detto prima, il sistema e il metodo dell?invenzione necessitano preferibilmente di poter rilevare le variazioni di carica ad alte frequenze operative. Al fine di ottenere questo, il sistema e? stato progettato per minimizzare la capacit? parassita che contribuisce negativamente a determinare la capacit? complessiva del transistor. Essenzialmente, la sovrapposizione tra gli elettrodi di source, drain ed elettrodo di gate flottante ? stata minimizzata, ad esempio impiegando una procedura di auto-allineamento.

Il potenziale di questo sistema e metodo nel monitoraggio dell?attivit? delle cellule ? correlato alla sua capacit? di rilevare quantit? molto piccole di carica (meno di 1 pC) a frequenze relativamente alte (fino ad 1 kHz).

Preferibilmente, il sistema ed il metodo includono nella pluralit? almeno otto transistor organici.

Questo numero di transistor permette di avere una mappa bidimensionale approssimata dell?attivit? delle cellule.

Preferibilmente, il sistema include un substrato sul quale detto elettrodo di gate flottante ? formato, detto substrato comprendente materiale plastico flessibile.

Il substrato sul quale l?elettrodo di gate flottante di ciascun transistor organico ? realizzato ? preferibilmente un substrato flessibile di plastic, che pu? poi essere deformato ed adattato a qualunque generica superficie sulla quale il sistema debba essere assemblato. Questo permette una grande flessibilit? nell?uso del sistema in diverse applicazioni.

Ancora pi? preferibilmente, detto substrato ? almeno parzialmente trasparente alla radiazione visibile.

Il substrato trasparente ? preferito a causa del fatto che per verificare lo stato della coltura cellulare o della posizione delle cellule viene di solito usata la microscopia ottica in trasmissione. Inoltre, un substrato trasparente pu? essere utile nei processi litografici.

Con grande vantaggio, detta prima porzione di elettrodo di gate flottante di ciascun transistor organico include un?area avente la dimensione maggiore compresa tra 1 ?m e 100 ?m.

Il gate flottante ha una prima porzione che ? parte dell?area sensibile, cio? il gate flottante include una porzione dell?area sensibile sulla quale vengono depositate le cellule. Questa area ? preferibilmente pi? grande delle cellule stesse e abbastanza piccola da ottenere una certa sensibilit? riguardo alla localizzazione dell?attivit? cellulare.

Preferibilmente, detto elettrodo di gate flottante ? realizzato con o ricoperto da un materiale biocompatibile.

Essendo una porzione del gate flottante in contatto o in prossimit? con le cellule, esso ? realizzato come un opportune substrato sul quale le cellule possano crescere. Per esempio, il gate flottante potrebbe essere coperto da strati di proteine, polimeri o amminoacidi adatti alla coltura cellulare come per esempio laminina, polylisina, eumelanina, etc.

Ancora pi? preferibilmente, detto elettrodo di gate flottante ? realizzato con oppure coperto da Au, Ti, TiO2, TiN, Al, ossido di indio stagno (ITO), PEDOT:PSS, inchiostro d?Argento ed ogni loro combinazione.

In una realizzazione preferenziale, detto strato isolante include un ossido metallico che ha uno spessore compreso tra circa 0 nm e circa 20 nm ed un primo valore di permettivita? relativa ?1, ed un polimero dielettrico avente uno spessore compreso tra circa 0 nm e circa 50 nm ed una seconda permeabilit? relativa ?2 e formante un?interfaccia con detto semiconduttore organico, laddove detti spessori sono entrambi non zero.

Considerando un film di ossido metallico come possibile strato isolante, il film ? normalmente caratterizzato da una resistivit? verticale molto bassa, che d? origine a correnti di perdita molto alte (correnti che fluiscono tra l?elettrodo di source e l?elettrodo di gate). Inoltre, il film di ossido ? normalmente caratterizzato da una concentrazione molto elevata di difetti superficiali che normalmente aumentano l'intrappolamento di cariche, limitando cos? la mobilit? ed aumentando la tensione di soglia del transistor organico.

In effetti un obiettivo ulteriore della presente invenzione ? quello di rendere disponibile un transistor organico che sia relativamente facile da fabbricare e che sia altamente riproducibile a basso costo. Inoltre, si desidera che il transistor organico dell?invenzione possa essere realizzato su substrati flessibili.

I richiedenti hanno anche testato la possibilit? di depositare uno strato isolante realizzato con un polimero dielettrico, per esempio Parilene C, come meglio dettagliato sotto, ma al fine di ottenere buone propriet? isolanti, lo spessore dello strato polimerico deve essere relativamente elevato.

I richiedenti propongono una procedura alternativa di fabbricazione per ottenere un transistor che funzioni a tensioni ultra-basse che sia semplice, a basso costo, e soprattutto molto facilmente scalabile alla scala industriale con una resa del processo molto alta. In un?implementazione preferenziale, questi risultati sono stati ottenuti utilizzando una combinazione unica di materiali dielettrici differenti come strato isolante.

Secondo quanto detto sopra, il transistor organico dell?invenzione include, tra lo strato di semiconduttore organico e l?elettrodo di gate flottante, uno strato isolante che e? ?ultrasottile? (la cui dimensione verr? meglio definita sotto) ma allo stesso tempo assicura un buon isolamento elettrico e una buona rigidit? dielettrica e pu? essere fabbricato anche su plastica e pi? in generale, su substrati flessibili.

Questo strato isolante ? preferibilmente una combinazione di due strati: un primo strato che include un ossido metallico, chiamato nel resto di questa descrizione strato di ossido metallic, e un secondo strato che include un polimero, nel resto chiamato strato polimerico dielettrico. Questo secondo strato deve formare l?interfaccia con il semiconduttore organico, cio? il polimero dielettrico sta in contatto con il semiconduttore organico sopra descritto.

Lo spessore T1 dello strato di ossido metallico ? compreso tra 0< T1 ? 20 nm, preferibilmente 0< T1 ? 10 nm, ancora pi? preferibilmente 5 nm ? T1 ? 10 nm.

Lo strato pu? includere preferenzialmente un ossido metallico la cui formula generale ? M1xOz, oppure un ossido metallico misto la cui formula generale ? M2xM3yOz dove tutti i termini di M1-M3 sono ioni indipendentemente selezionati di elementi metallici.

Un elemento metallico si riferisce all?identit? dell?elemento in una qualunque forma chimica, cio? un elemento metallico ? un elemento classificato come metallico e pu? essere in forma di metallo elementale oppure pu? essere in forma di sale o di un complesso contenente il metallo. Un elemento metallico in forma metallica si riferisce al metallo non ossidato, laddove l?elemento metallico in sale o in forma complessa si riferisce al metallo in una combinazione chimica con altri elementi. Un ?ossido metallico? include diverse specie in cui lo ione metallico, sebbene comprenda un identico elemento metallico, ? in un differente stato di ossidazione a seconda della specie, e cos? composto con diversa stechiometria.

Metalli preferiti sono ad esempio l?Alluminio, il Gallio, l?Indio, lo Zinco, il Titanio, l?Iridio. Nell?esempio descritto, lo strato di ossido metallico include l?allumina (ossido di alluminio).

Lo spessore T2 dello strato polimerico dielettrico ? tale che 0< T2 ? 50 nm, preferibilmente 10 ? T2 ? 30 nm, ancora pi? preferibilmente 15 ? T2 ? 25 nm.

Il secondo strato dielettrico include un polimero dielettrico. Preferibilmente, questo polimero ? depositato attraverso deposizione da fase vapore (CVD). Pi? preferibilmente, il polimero dielettrico include il poly(xylilene) altrimenti noto come parylene N di unit? ripetitiva

Pi? preferibilmente, il secondo strato include parylene alogenato, ancora pi? preferibilmente parylene C avente unit? ripetitiva:

Altri possibili materiali possono essere ad esempio Poly(methyl methacrylato) (PMMA), Polyvinyl alcohol (PVA) o Polyvinylpyrrolidone (PVP), PolyStyrene (PS) e PolyPyrrole (PPy) nello stato non drogato.

Pi? preferibilmente, detto primo e secondo strato dielettrico hanno una permeabilit? relativa che soddisfa la seguente equazione:

La permeabilit? del vuoto ?0 (anche chiamata permettivit? dello spazio libero o costante dielettrica) ha il seguente valore

Da quanto detto sopra, la permeabilit? relativa ?r (anche detta costante dielettrica del materiale) di un materiale ? definita come rapporto tra la sua permeabilit? e la permeabilit? del vuoto:

Un?ulteriore caratteristica del transistor dell?invenzione ? perci? la seguente: detta ?1 la permeabilit? relativa del materiale con cui e? realizzato il primo strato dielettrico di ossido e ?2 la permeabilit? relativa del materiale con cui e? realizzato il secondo strato dielettrico polimerico, le due permettivit? preferibilmente devono soddisfare la seguente equazione:

piu? preferibilmente

Lo spessore complessivo T1+T2 dello strato dielettrico ? ancora abbastanza fine in modo da, come gi? spiegato, aumentare la capacit? dell?intero film e allo stesso tempo anche da ottenere una corrente di perdita molto bassa. Questo effetto ? ottenuto grazie alla combinazione delle propriet? dello strato di ossido metallico e dello stato polimerico. In realt?, i due strati non sono completamente separati: durante la deposizione dello strato polimerico, il polimero stesso pu? mischiarsi con le molecole dell?ossido metallico interponendosi tra esse in modo da formare una sorta di ?strato unitario?.

? molto importante notare che il trasporto di carica negli OFET avviene entro 1-2 nm dall?interfaccia semiconduttore/dielettrico. Perci? le propriet? di questa interfaccia sepolta, come la sua rugosit?, la densit? di difetti e di trappole, l?orientazione e la disposizione intercatena delle molecole o macromolecole dell?OFET ? cruciale per la performance del dispositivo. I richiedenti hanno capito che una buona interfaccia tra semiconduttore e dielettrico ? importante per ottenere un transistor organico che abbia una bassa tensione operativa: una interfaccia non ottimale pu? abbassare la corrente di drain di diversi ordini di grandezza in confronto con identici transistor che abbiano una migliore interfaccia. Inoltre, avere una buona interfaccia tra lo strato dielettrico e il semiconduttore organico serve ad abbassare la tensione di soglia al di sopra della quale il transistor comincia a funzionare. I proponenti hanno notato che un film di ossido metallico come strato dielettrico non crea una interfaccia ottima con il semiconduttore organico. Lo stesso risultato viene normalmente ottenuto quando la permettivit? dei due materiali che formano il doppio strato ? molto diversa.

Di fatto, ottenere un?alta capacit? dello strato dielettrico e mantenere la densit? di corrente di perdita molto bassa sono condizioni necessarie ma non sufficienti per ottenere tensioni operative molto basse. La minimizzazione dell?intrappolamento dei portatori di carica che normalmente ha luogo all?interfaccia tra il dielettrico di gate e il semiconduttore organico, gioca un ruolo molto importante nel determinare le tensioni operative e le propriet? di trasporto del dispositivo finale. Tali siti difettivi causano una riduzione della mobilit? del semiconduttore ma possono anche influenzare pesantemente altri parametri elettrici, in particolare la tensione di soglia e, di conseguenza, le tensioni operative del dispositivo. Per queste ragioni, per ottenere un transistor che funzioni a tensione ultra bassa, occorre avere un pieno controllo di tutte le propriet? degli strati dielettrici isolanti, non solamente dello spessore.

Con grande vantaggio, detto strato dielettrico polimerico include poly(p-xylylene) e/o i suoi derivati e pi? preferibilmente detto strato dielettrico polimerico include parylene alogenato.

Secondo un terzo aspetto, l?invenzione si riferisce a un metodo per mandare uno stimolo elettrico a una pluralit? di cellule viventi depositate sopra un sistema, detto sistema comprendente:

- Una pluralit? di transistor organici, ciascun transistor della pluralit? comprendente:

o Un elettrodo di gate flottante;

o un elettrodo di source un elettrodo di drain;

o un semiconduttore organico;

o uno strato isolante realizzato tra gli elettrodi di source e di drain e il gate flottante, detto strato isolante avente uno spessore compreso tra circa 1 nm e circa 100 nm; oppure una capacit? per unit? di area compresa tra circa 10 nF/cm2 e circa 150 nF/cm2;

- Un?area sensibile, detta area sensibile comprendente una prima porzione dell?elettrodo di gate flottante di ciascuno di detti transistor organici di detta pluralit?, detta area sensibile essendo atta ad essere in prossimit? di oppure in contatto con dette cellule da monitorare;

- una barriera che separa meccanicamente detta area sensibile dal resto del sistema;

Laddove ciascuno di detti transistor organici di detta pluralita? include

- un elettrodo di gate di controllo accoppiato ad una seconda porzione di detto gate flottante per mezzo di un capacitore, detto elettrodo di gate di controllo essendo separato da detto elettrodo di gate flottante da detto strato isolante; detto metodo comprendente i seguenti passi:

o mandare uno stimolo a dette cellule per mezzo di detto elettrodo di gate flottante di uno dei transistor di detta pluralit? oppure per mezzo di detto elettrodo di gate di controllo di uno dei transistor di detta pluralit?.

In una realizzazione preferenziale, detto metodo comprende:

o rilevare la risposta di dette cellule a detto stimolo per mezzo della prima porzione dei gate flottanti del restante transistor di detta pluralit?.

Inoltre, l?invenzione si riferisce anche al metodo per stimolare una o pi? cellule e preferibilmente rilevare la risposta allo stimolo. Questo pu? essere ottenuto mandando uno stimolo di tensione per mezzo o dell?elettrodo di gate flottante oppure dell?elettrodo di controllo di uno dei transistor della pluralit? in una posizione definita (cio? la posizione geometrica di tale elettrodo di controllo oppure di gate flottante). La distribuzione spaziale della risposta delle cellule a tale stimolo pu? essere rilevata usando gli elettrodi di gate flottante, in altre parole le porzioni degli elettrodi di gate flottante che sono all?interno dell?area sensibile, al fine di ottenere una mappa bidimensionale della risposta.

Per esempio, gli impulsi hanno approssimativamente un?ampiezza compresa tra 1 mV e 1 V, una durata compresa tra 10 ?s e 1 ms e preferibilmente il numero totale di impulsi ? uno ogni 2-5 secondi per approssimativamente 5 -10 minuti in totale. Ogni altro impulso pu? essere usato dipendentemente dal tipo di cellule e dall?esperimento.

Breve descrizione delle figure

- Le Fig. 1a-1c sono rappresentazioni schematiche del principio di funzionamento di uno dei transistor del sistema. La Fig. 1a mostra una sezione di un singolo transistor. La Fig.1b mostra il metodo per fissare la corrente statica di drain di un singolo transistor applicando un valore appropriato di VGS (tra l?elettrodo di gate di controllo e l?elettrodo di source) e di VDS (tra l?elettrodo di drain e l?elettrodo di source). La Fig. 1c mostra che la fluttuazione di carica dovuta all?attivit? cellulare sull?area sensibile determina una ridistribuzione di carica dentro al gate flottante, la quale modula la densit? dei portatori di carica dentro il canale del transistor. Di conseguenza, si ottiene una variazione della corrente di uscita, cioe? della corrente di drain;

- La Fig. 2 ? una visione prospettica schematica di un singolo transistor organico del sistema;

- La Fig. 3 mostra quattro grafici delle caratteristiche di un transistor a tensione ultra-bassa incluso nel sistema dell?invenzione immediatamente dopo la fabbricazione (i due grafici a sinistra) e dopo 10 giorni all?interno di un incubatore (i due grafici a destra);

- La Fig. 4 ? una visione dall?alto del sistema dell?invenzione che comprende 16 transistor su un unico substrato; al centro del substrato, le prime porzioni dei gate flottanti usate come aree sensibili sono circondate da un anello di vetro che permette di confinare il mezzo di coltura con le cellule. L?anello di vetro ? un esempio di barriera meccanica che confina il mezzo di coltura delle cellule;

- la Fig. 5 ? una visione dall?alto di una realizzazione del sistema completo dell?invenzione. L?elettronica di lettura per monitorare l?attivit? delle cellule ? inserita su un Sistema Multichannel;

- la Fig. 6 ? un grafico del guadagno in funzione della relazione guadagno in funzione della frequenza per un singolo transistor della pluralit? impiegato per la misura con le cellule;

- La Fig.7 ? una visione laterale in sezione di un singolo transistor della pluralit?; - La Fig. 8 ? una visione dall?alto semplificata di un singolo transistor della pluralit? con alcune porzioni ingrandite;

- La Fig. 9 ? una visione dall?alto semplificata del sistema dell?invenzione con alcune porzioni ingrandite;

- Le Fig. 10a e 10b sono, rispettivamente, una visione dall?alto e una visione laterale in sezione di una porzione del sistema dell?invenzione che opera in accordo al metodo dell?invenzione;

- La Fig. 11 ? una visione laterale in sezione di una variante del sistema dell?invenzione per una ulteriore configurazione del metodo dell?invenzione della fig. 10b;

- La Fig.11a ? una rappresentazione schematica di un segnale impulsivo usato nei sistemi delle figure 10a-10b e 11;

- Le Fig. 12a e 12b sono due fotografie dell?area sensibile del sistema dell?invenzione che dimostrano la biocompatibilit?. La Fig.12a ? un ingrandimento dell?area sensibile in cui una coltura confluente di cellule cardiache di ratto (8DIV) aderisce ad una superficie, mentre la Fig. 12b mostra una coltura di cellule cardiache fissate dopo una sessione di misura e colorate per la proteina sarcomerica tropomiosina;

- La Fig. 13 ? un grafico che rappresenta un singolo segnale misurato con il sistema dell? invenzione. Lo spostamento veloce di ioni durante la fase iniziale del potenziale di azione (AP) cardiaco provoca un aumento seguito da una diminuzione della corrente di drain del transistor. La forma e la durata sono coerenti con la rilevazione degli eventi che avvengono durante l?inizio di un AP intracellulare;

- La Figura 14 ? un grafico che mostra l?attivit? spontanea di una coltura cellulare di cellule cardiache di ratto (8DIV) mantenuta a 37?C misurata con il sistema dell?invenzione;

- La Figura 15 mostra due grafici ottenuti misurando la corrente di drain in funzione del tempo con il sistema dell?invenzione; detta figura rappresenta la modulazione termica dell?attivit? spontanea della coltura. La temperatura ? stata aumentata da 35 ?C a 40 ?C (grafico di sinistra) e diminuita da 40 ?C a 35 ?C (grafico di destra) causando una consistente variazione della frequenza del battito;

- La Fig. 16 ? un grafico ottenuto misurando la corrente di drain in funzione del tempo con il sistema dell?invenzione e mostra la modulazione chimica dell?attivit? della coltura cellulare. L?attivit? spontanea ? stata accelerata attraverso l?aggiunta di una soluzione 100 ?M di Norepinefrina e successivamente soppressa con una soluzione 100 ?M di Verapamil;

- La Figura 17 mostra la modulazione della frequenza di battito (statistica su 5 transistor - media e deviazione standard): conteggio dei battiti su 4 min di attivit? basale (129?4.6), di attivit? mediata da NE (280?28.6) e di attivit? mediata da VER (15 ?1.9);

- La Figura 18 rappresenta la ricostruzione della propagazione del segnale in un dispositivo con siti multipli di registrazione: i pallini colorati e quelli neri rappresentano, rispettivamente, i transistor che hanno registrato dei segnali e i transistor ?silenti? (sinistra); e un raster plot dell?attivit? spontanea dei canali ?colorati? che indica una propagazione del segnale dal sito 14 al sito 41 (destra); - La Figura 19 mostra il potenziale di azione di cellule striatali da embrione di ratto (21 DIV) mantenuti a 37 ?C misurati con un transistor, e l?inserto mostra un particolare di un potenziale d?azione neuronale extracellulare.

Descrizione dettagliata delle realizzazioni preferenziali

Con riferimento iniziale alle figure 2, 7 e 8 un transistor organico secondo le indicazioni dell?invenzione ? indicato globalmente con il numero di riferimento 10. Il transistor organico 10 ? parte di un sistema 100 che include una pluralit? di transistor 10 come mostrato nelle fig.9 e 4.

Nei disegni allegati, il transistor organico 10 ? un transistor OFET (o OTFT) a bassa tensione avente un elettrodo di gate in configurazione bottom e gli altri elettrodi in configurazione top, tuttavia le indicazioni dell?invenzione possono essere applicate ad altri transistor e/o altre configurazioni.

Il transistor 10 ? realizzato su un substrato 1 che pu? essere un qualunque substrato, ma preferibilmente ? un substrato di plastica flessibile. Nella realizzazione preferita, il substrato 1 include PolyEthylene Terephatalate (PET), che ? trasparente e flessibile, oppure poly (4,4'-oxydiphenylene-pyromellitimide) (commercialmente noto come Kapton).

Il transistor 10 include un elettrodo di gate di controllo 7, un elettrodo di drain 5 e un elettrodo di source 6. Il materiale con il quale gli elettrodi sono realizzati pu? essere un qualunque materiale adatto allo scopo e noto nel campo specifico tecnico, per esempio oro, alluminio, Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), PEDOT:PSS, argento. Preferibilmente, gli elettrodi 5-7 sono realizzati in Oro. Inoltre, il transistor 10 include un elettrodo di gate flottante 2 preferibilmente realizzato in alluminio Al oppure in titanio Ti.

Al di sopra dell?elettrodo di gate flottante 2, viene realizzato lo strato dielettrico o isolante. Secondo una delle realizzazioni dell?invenzione, lo strato dielettrico ? realizzato usando una combinazione di un film di ossido metallico 3 e di un film di dielettrico polimerico 4, uno sopra l?altro. Tuttavia, si pu? usare un singolo strato dielettrico.

In questa realizzazione, vantaggiosamente, lo strato di ossido metallico 3 ? realizzato in ossido di alluminio Al2O3 usando l?ossidazione del film di alluminio depositato per creare l?elettrodo di gate flottante 2. Allo stesso modo, se l?elettrodo di gate flottante 2 viene realizzato in titanio, lo strato di ossido metallico formato ? TiO2. Percio?, questo primo strato dielettrico pu? essere ottenuto usando un passo di processo molto semplice. Questo passo di ossidazione pu? essere usato anche con altri metalli oltre ad Alluminio e Titanio.

In questo modo, un film molto sottile di ossido metallico 3 ? stato fabbricato al di sopra dell?elettrodo di gate flottante 2.

Sopra allo strato di ossido metallico 3, viene realizzato un ulteriore strato realizzato con un polimero isolante 4. Questa configurazione a doppio strato permette da una parte di mascherare i difetti superficiali dello strato di ossido metallico, limitando cos? fortemente l?intrappolamento di carica, dall?altra permette di aumentare notevolmente la resistivit? verticale eliminando cos? quasi completamente la corrente di perdita attraverso il dielettrico di gate.

Come esempio, il transistor organico 10 dell?invenzione include uno strato polimerico 4 che comprende un materiale isolante, biocompatibile chiamato Parylene C.

Lo strato di Parylene C viene depositato, preferibilmente, per deposizione chimica da fase vapore. Lo spessore finale del film isolante ? ancora abbastanza sottile da permettere ai transistor 10 di lavorare a tensioni molto basse.

Al di sopra di questa struttura, vengono realizzati gli elettrodi di source, drain, e gate di controllo 5, 6, 7 usando diverse tecniche (fotolitografia, deposizione dei metalli attraverso maschere, stampa a getto d?inchiostro etc) un sottile film di un appropriato semiconduttore organico 8 pu? essere depositato in contatto con gli elettrodi di source e drain 5,6, in modo da completare la struttura finale del transistor 10.

Lo strato di semiconduttore 8 pu? essere di un qualunque tipo noto nell?arte per questa specifica applicazione. Il semiconduttore pu? essere depositato usando diversi semiconduttori depositati, per esempio con evaporazione termica (ad esempio nel caso del pentacene), deposizione da goccia (per esempio nel caso del TIPS-pentacene), o spin coating (per esempio nel caso del Polyera N1400).

Due realizzazioni preferenziali delle configurazioni del transistor sono le seguenti: una prima come mostrato nelle figure in cui l?elettrodo di gate flottante 2 ? alla base (sul substrato 1) su cui gli strati isolanti 3 e 4 vengono fabbricati e poi a loro volta su cui gli elettrodi di source/drain 5,6 sono realizzati. Inoltre, il semiconduttore organico 8 ? depositato tra (e anche parzialmente sopra) gli elettrodi di source/drain 5,6. Alternativamente, il semiconduttore organico pu? essere depositato sopra lo strato isolante e gli elettrodi di source/drain possono essere realizzati sopra il semiconduttore organico (questa configurazione non ? mostrata nelle figure).

Il transistor 10 pu? essere suddiviso in tre zone (si veda ad esempio le figure 7 e 8). Una prima zona A include gli elettrodi di source/drain 5,6 depositati sopra l?elettrodo di gate flottante 2. In questa zona, una struttura a sandwich che include sulla base l?elettrodo di gate flottante 2, coperto dagli strati dielettrici 3,4 sui quali gli elettrodi di source/drain 5,6 vengono formati, a loro volta coperti dal semiconduttore organico 8. In una seconda zona B, l?elettrodo di gate di controllo 7 viene depositato sopra gli strati dielettrici 3,4. L?elettrodo di gate di controllo 7 forma un capacitore CAP (si veda l?ingrandimento della fig. 8), essendo un elemento del capacitore l?elettrodo di controllo 7 stesso e un secondo elemento l?elettrodo di gate flottante 2. In questa zona B, viene formata una struttura sandwich tra l?elettrodo di gate flottante 2 alla base coperto dagli strati isolanti 3,4 e al di sopra l?elettrodo di gate di controllo 7. Inoltre, ? presente una terza zona C in cui l?elettrodo di gate flottante 2 viene esposto, cio? non coperto dagli strati isolanti 3,4 oppure coperto da essi solo parzialmente. In questa zona C, l?elettrodo di gate flottante 2 include una prima porzione che forma l?elemento sensibile del transistor organico 10. Questa prima porzione ? chiamata nel seguito area sensibile 11. La porzione di elettrodo di gate flottante 2 che forma un capacitore CAP insieme all?elettrodo di gate di controllo 7 si chiama seconda porzione dell?elettrodo di Gate flottante 2 (zona B). Una possibile dimensione di questa seconda porzione, che ? il contatto di base (elettrodo di gate flottante) del capacitore formato con l?elettrodo di gate di controllo, puo? essere ad esempio di 12 mm ? 0,15 mm. In fig. 8, il capacitore formato dalla seconda porzione dell?elettrodo di gate flottante e dall?elettrodo di gate di controllo ? ingrandita nel riquadro. Preferibilmente, l?area sensibile 11 ha una dimensione (ad esempio un diametro oppure una diagonale a seconda della sua forma) compresa tra 10 ?m e 100 ?m.

In una realizzazione preferita, l?elettrodo di gate flottante 2 ha una configurazione interdigitata, come si vede nelle fig. 2 e 8, e preferibilmente il rapporto larghezza/lunghezza del canale interdigitato cos? formato ? compreso tra 10 e 30.

Con riferimento alla fig. 9 e alla fig. 4, il sistema dell?invenzione 100 per monitorare l?attivit? delle cellule include una pluralit? di transistor 10. Preferibilmente, la pluralit? include almeno otto transistor 10 in una configurazione a stella. I transistor 10 sono preferibilmente identici l?uno all?altro, per esempio sono fabbricati preferenzialmente usando gli stessi materiali e lo stesso processo, tuttavia a causa di errori di tolleranza nella fabbricazione, le loro tensioni di soglia possono essere differenti l?una rispetto all?altra.

I transistor 10 sono distribuiti in modo tale che le aree sensibili 11 degli elettrodi di gate flottante 2 sono localizzate una vicina all?altra in modo da formare una schiera come visibile nel dettaglio ingrandito della fig.9. La distanza tra due diverse aree sensibili 11 appartenenti a due elettrodi di gate flottante differenti che appartengono a loro volta a due diversi transistor 10 della pluralit? ? preferibilmente compresa tra 100 ?m e 200 ?m.

La pluralit? di aree sensibili 11 definisce un?area sensibile 20 che ? delimitata da una barriera 21, per esempio una ?parete? meccanica impermeabile, che serve a separare l?area sensibile 20 dal resto del sistema 100. Nell?area sensibile 20, le cellule sono posizionate o coltivate in un mezzo opportuno, preferibilmente liquido. La barriera 21 percio? serve ad evitare ogni contatto tra il liquido e la circuiteria elettronica del sistema 100. Qualunque configurazione geometrica della barriera 21 e? compresa nella presente invenzione.

Il sistema e? connesso ad una scheda di acquisizione multicanale (non mostrata) che serve a rilevare la corrente di uscita IDS, e le sue variazioni, per ogni transistor 10 della pluralit?.

Esempio

Ciascun transistor 10 ? fabbricato su un substrato (1) di polietilene tereftalato (PET) di 175 ?m di spessore. Inizialmente, un film metallico (Al o Ti) viene evaporato termicamente sul substrato e modellato tramite un processo fotolitografico standard. Questo strato metallico modellato funge da gate flottante 2 nella struttura finale del sensore. In particolare, le parti terminali 11 dei flottante gate 2 hanno un diametro compreso tra 50 e 150 ?m. Successivamente viene effettuato un trattamento UV-ozono per promuovere la crescita dello strato di ossido superficiale nativo (strato 3, pochi nanometri di spessore). Dopodich?, 30-50 nm di Parylene C (Special Coating Systems, strato 4) vengono depositati sull?intero substrato. Uno strato d?oro viene dunque evaporato e modellato usando un processo di autoallineamento come descritto in Lai, S., Cosseddu, P., Gazzadi, G. C., Barbaro, M., Bonfiglio, A. ?Towards high frequency performances of ultra-low voltage OTFTs: Combiningselfalignment and hybrid, nanosized dielectrics? Organic Electronics 14, 754-761 (2013)), per ottenere i contatti di source, drain e gate di controllo 5, 6 e 7. I risultanti transistor a bassa tensione auto-allineati 10 hanno un rapporto W/L (larghezza di canale/lunghezza di canale) di circa 650. Uno spesso strato di fotoresist viene dunque depositato e fotolitografato in modo da esporre solo una parte dei pad e proteggere il resto della superficie. Successivamente, lo strato di Parylene C viene rimosso dai pad dei gate flottanti tramite esposizione al plasma ossigeno. Dopo la rimozione del fotoresist, 2 ?l di una soluzione di 6,13-Bis(triisopropylsilylethynyl) pentacene (TIPS pentacene, Sigma Aldrich) in toluene (0.5% in peso) viene depositata tramite drop casting direttamente nella zona del canale del transistor (semiconduttore organico 8). Infine un anello di vetro (1.5 centimetri di diametro) viene incollato sul substrato con del polydimethylsiloxane (PDMS) in modo da delimitare la regione della coltura cellulare, formando una barriera 21. Ogni step nel processo ? preceduto da un?attenta pulizia del chip con etanolo, acetone e acqua deionizzata.

Experimental setup

Il setup sperimentale comprende un?elettronica multicanale (16 canali) di readout e di condizionamento del segnale. Ogni canale ? costituito da tre blocchi principali: un primo convertitore I/V invertente con una resistenza di feedback da 1 M?, un filtro passa alto Butterworth del 2o ordine con frequenza di taglio di 150 Hz, un filtro passa basso Butterworth del 3o ordine con frequenza di taglio 1.3 kHz. La polarizzazione degli OCMFET ? effettuata tramite un circuito regolabile di polarizzazione (VDS=VGS=-1 V per ogni misura riportata, con piccole variazioni tra un transistor e l?altro). Il guadagno totale del circuito ? di 110. Il circuito realizzato ? connesso ad una scheda di acquisizione della Multichannel Systems per la conversione A/D, l?acquisizione e l?archiviazione. Tutte le sessioni di misura sono state effettuate all?interno di una gabbia di Faraday in modo da minimizzare l?impatto del rumore elettrico ambientale sul sistema.

Le figure 4 e 5 rappresentano rispettivamente due immagini del sistema 100 e del sistema 100 accoppiato con l?elettronica multicanale dell?invenzione. Il sistema 100 include otto transistor 10 identici, fabbricati su un substrato plastico, con dimensioni globali di 50 x 50 mm in modo da assicurare la compatibilit? con i ground plate della Multichannel Systems. Inoltre, l?elettronica multicanale ? stata specificamente progettata e realizzata in modo da poter effettuare il condizionamento dei segnali provenienti dai sensori.

Con l?intenzione di controllare la stabilit? dello strato di semiconduttore organico 8, in Fig. 3 sono mostrate sia la caratteristica di uscita che la caratteristica di ingresso di un singolo transistor organico 10 a tensione ultra-bassa subito dopo la fabbricazione (sinistra) e dopo 10 giorni dentro un incubatore a 37 ?C e 95% di umidit? (destra). Come si pu? notare, la corrente mostra una certa degradazione (dato che l?area attiva del dispositivo non ? stata incapsulata), tuttavia il comportamento transistor ? completamente preservato.

Il sistema 100 funziona e monitora l?attivit? cellulare in accordo con i metodi dell?invenzione. Ciascun trasistor organico 10 ? impostato in un punto di lavoro agendo sull?elettrodo di gate di controllo 7, cio? in accordo con il potenziale sull?elettrodo di gate di controllo VGS (in questo caso tra gli elettrodi di gate di controllo e di source; nei disegni la polarizzazione applicata al gate di controllo ? identificata come VCG, quella all?elettrodo di drain VD e quella all?elettrodo di source VS).

Tutti i transistor organici 10 subiscono preferibilmente uno step di calibrazione in modo tale che le correnti di uscita IDS di tutti i transistor siano le stesse (o sostanzialmente le stesse). Il potenziale VGS (differenza di potenziale tra il gate di controllo e il source) di ogni transistor ? impostato di conseguenza, cio? ? regolato in modo tale che le correnti IDS di tutti i transistor 10 della pluralit? del sistema 100 siano sostanzialmente le stesse.

Il sistema 100 per poter essere usato per monitorare l?attivit? cellulare, deve avere la capacit? di rilevare quantitativi di carica molto piccoli (meno di un pC) in un range di frequenze fino a 1 kHz. Perci?, al fine di ottimizzare la risposta in frequenza dei transistor 10, ? stata utilizzata una struttura auto-allineata, come precedentemente descritto nell?esempio di fabbricazione, che permette di ridurre le capacit? parassite grazie alla riduzione dell?area di sovrapposizione tra gli elettrodi di source e drain e il gate flottante sottostante 2.

Preferibilmente questa sovrapposizione deve essere inferiore al 3%. In altri termini gli elettrodi di source e di drain 5, 6 definiscono l?area del canale W X L (dove L ? la distanza tra gli elettrodi di source e drain e W la loro larghezza), e preferibilmente la sovrapposizione tra questa area e il l?elettrodo di gate flottante 2 ? inferiore al 3% della stessa area. La capacit? di ciascun transistor organico 10 del sistema 100 di rilevare segnali a frequenze relativamente alte ? mostrata in Fig. 6, dove ? mostrato un grafico del guadagno al variare della frequenza. Il transistor organico 10 ? capace di amplificare segnali a frequenze fino a 1 kHz, una frequenza che ? maggiore della frequenza tipica dei segnali provenienti da cellule elettroattive (cardiomiociti e cellule neuronali).

Poich? il transistor 10 e il sistema 100 sono stai fabbricati con materiali intrinsecamente biocompatibili, ? stata solamente testata la biocompatibilit? dell?intero sistema 100. Le Fig. 12a e 12b rappresentano una visione ingrandita delle aree sensibili 11 del sistema 100. Su queste aree 11, sono presenti cellule cardiache all?interno di un mezzo di coltura. Come si pu? vedere in Fig. 12a e 12b, le cellule cardiache che ricoprono le superfici delle aree sensibili 11 sono ben aderenti al substrato e ben differenziate.

In un test, non mostrato, la biocompatibilit? del sistema 100 ? stata dimostrata accoppiando cellule neuronali all?aria sensibile 20. Suddette cellule sono rimaste in condizioni di vitalit? per pi? di 3 settimane, dimostrando la possibilit? di utilizzare il sistema 100 per applicazioni in-vitro a lungo termine.

Per provare l?abilit? del sistema 100 di registrare segnali generati da cellule viventi, il sistema 100 ? stato testato con colture primarie di cardiomiociti presi da embrioni di ratto (18mo giorno di sviluppo embrionale), che sviluppano in coltura, in pochi giorni, una continua attivit? spontanea elettro-meccanica con una frequenza di battito di 0.4 Hz ? 4 Hz. Il sistema 100 ? stato capace di rilevare il momento in cui si presenta il segnale (similmente a quanto fanno I sistemi basati su MEA), la frequenza di battito e la sua rapida variazione dovuta a modulazione farmacologica ottenuta tramite agenti cronotropici positivi e negativi (in accordo con il metodo descritto in Simpson, P. Stimulation of hypertrophy of cultured neonatal rat heart cells through an alpha 1-adrenergic receptor and induction of beating through an alpha1- and beta1-adrenergic receptor interaction. Evidence for independent regulation of growth and beating. Circ. Res. 56, 884-894 (1985); Yonemochi, H., Saikawa, T., Takakura, T., Ito, S., Takaki, R. Effects of calcium antagonist on ?-receptors of cultured cardiac myocytes isolated from neonatal rat ventricle. Circulation 81, 1401-1408 (1990)). In Fig.13 ? mostrato un esempio di potenziali d?azione misurati con un transistor organico 10. Considerando un transistor di tipo p e un primo stadio invertente dell?elettronica di lettura, la forma del singolo segnale mostrato in Fig. 13 ? coerente con la fluttuazione attesa della corrente indotta dal movimento di ioni durante la fase iniziale del potenziale d?azione cardiaco. La fluttuazione della corrente di drain IDS ? innescata dal rapido movimento di ioni Na+ che avviene all?inizio del potenziale d?azione intracellulare cardiaco.

Sono state effettuate misure sistematiche di attivit? elettrofisiologica spontanea di cardiomiociti di ratto (8 giorni in vitro ? 8 DIV) con il sistema 100 (Fig.14).

Per ulteriormente dimostrare la capacit? del sistema sviluppato 100 di registrare l?attivit? cellulare, la suddetta attivit? ? stata modulata tramite la lenta variazione della temperatura del mezzo di coltura. La temperatura del termostato, in contatto con la zona di coltura, ? stata fatta variare da 35 ?C a 40 ?C e viceversa. Come atteso, e mostrato in Fig. 15, la frequenza di battito della coltura varia in maniera consistente con la variazione di temperatura, come si pu? vedere comparando le due figure in fig.15.

Infine, per provare definitivamente che i segnali registrati sono generati dalle cellule cardiache, dopo diverse registrazioni effettuate in condizioni fisiologiche (cio? a 37?C in un mezzo di coltura standard e in atmosfera controllata), l?attivit? spontanea della coltura ? stata modulata farmacologicamente tramite la somministrazione di 100 ?M di Norepinefrina (un cardiostimolante specifico che agisce sui recettori beta-adrenergici), e successivamente la somministrazione di un?alta dose (100 ?M) di Verapamil (un calcio bloccante specifico per i canali del calcio di tipo L, che agisce come cardio-rilassante). Come atteso, le registrazioni effettuate con il sistema 100 hanno mostrato una modulazione dell?attivit? cellulare, come mostrato in Fig. 16, dove ? ben visibile la variazione dell?attivit? in seguito alla variazione della corrente misurata. Tutte le registrazioni relative alla modulazione farmacologica dell?attivit? cellulare sono state effettuate mantenendo la coltura a temperature costante (37 ?C) e gli stessi risultati sono stati ottenuti da cinque dispositivi contemporaneamente.

Con questa configurazione ad array dei transistor organici 10 nel sistema 100, ? stato possibile stimare la velocit? di propagazione del segnale elettrico (attorno a 0.4 m/s, in accordo con valori misurati con altre tecniche, come per esempio in Darrow, B. J., Fast, V. G., Kl?ber, A. G., Beyer, E. C., Saffitz, J. E. Increased Conduction Velocity and Enhanced Connexin Expression in Dibutyryl cAMP?Treated Cultured Cardiac Myocytes. Circ. Res. 79, 174-183 (1996)).

Misure effettuate con diversi transistor 10 hanno mostrato variazioni di IDS da qualche centinaio di pA a qualche nA. Considerando una variazione media della IDS di 1 nA e valori rappresentativi dei parametri del transistor (una trans-conduttanza gm di 300 pA/mV e una somma delle capacit? Ctot della struttura pari a 100 pF), usando le equazioni dell?OCMFET ? stato possibile stimare la variazione di carica in circa 0.3 pC.

Assumendo che questa variazione sia interamente dovuta al movimento delle cariche attraverso la membrana cellulare durante la prima fase del potenziale d?azione e considerando una tipica capacit? di membrana pari a 1 ?F/cm2, ? stato possibile calcolare un valore attorno a 300 ?m2 per l?effettiva area in cui avviene questa variazione di carica. Questo valore ? compatibile con i tipici valori dell?area di adesione di soma di cellule cardiache, indicando dunque la validit? del principio di trasduzione.

Al fine di testare la possibilit? di utilizzare il sistema per future applicazioni con cellule neuronali, il dispositivo ? stato testato anche con cellule striate di ratto. In Figure 19 ? mostrata una registrazione preliminare dell?attivit? elettrica di una coltura di cellule striate di ratto mantenute in vitro per 21 giorni (21 DIV).

Riepilogando, la rilevazione affidabile di potenziali d?azione (sia in condizioni fisiologiche che in seguito a stimolazione ottenuta con step di raffreddamento/riscaldamento della coltura e in seguito a manipolazione farmacologica) da cellule cardiache dimostra la capacit? del sistema reference-less e basato su OTFT 100 di trasdurre efficacemente segnali elettrofisiologici provenienti da cellule elettroattive. La possibilit? di utilizzare il sistema proposto per future applicazioni con cellule neuronali ? stata dimostrata con successo in via preliminare con cellule striate di ratto.

Inoltre, un semplice principio di trasduzione basato sull?accoppiamento capacitivo tra il gate flottante del transistor e la membrana cellulare attraversata dalla carica ionica durante il potenziale d?azione, giustifica la forma e l?ampiezza del segnale misurato.

In accordo con un differente metodo dell?invenzione, il sistema 100 pu? essere utilizzato per mandare un segnale di stimolo alle cellule all?interno dell?area sensibile 20 e al tempo stesso preferibilmente registrare o monitorare la risposta al suddetto stimolo.

Facendo riferimento alle fig. 10a, 10b, 11 e 11a, lo stimolo pu? venire imposto alle cellule tramite l?area sensibile 11 (elettrodo di gate flottante) di un transistor 10, come mostrato in fig. 11, o tramite l?elettrodo di gate di controllo 7 di un transistor 10, come mostrato in fig.

10b.

In entrambi i casi lo stimolo ? lo stesso, ed ? un impulso in tensione con la forma descritta in fig. 11a. Il numero di impulsi dipende dal tipo di esperimento e dal tipo di cellula. Per esempio, un singolo impulso di 2-5 secondi pu? essere mandato per una durata complessiva della stimolazione di 5-10 minuti. Il singolo impulso ? bi-fasico di durata totale, per esempio, di 500 ?s (250 microsecondi nel range positivo e 250 microsecondi in quello negativo) e un?ampiezza compresa tra /-750 ?V e /- 5 V.

Nell?implementazione di fig. 11, dove lo stimolo ? mandato tramite il gate flottante 2 di un transistor 10 del sistema 100, l?impulso in fig.11a ? generato da un generatore di impulsi 30 che manda un impulso all?elettrodo di gate flottante 2 attraverso un elettrodo 31. Uno switch 32 ? presente in modo da applicare o meno il segnale al gate flottante, a seconda del tipo di esperimento, accoppiando o disaccoppiando il generatore di impulsi 30 all?elettrodo di gate flottante 2. L?impulso ? mandato alle cellule in uno specifico punto, che ? il punto dell?area sensibile 11 del gate flottante 2 al quale il generatore di impulse 30 ? accoppiato.

Le rimanenti aree sensibili 11 degli altri gate flottanti 2 registrano la risposta delle cellule presenti nell?area sensibile 20 dovuta allo stimolo, monitorando l?attivit? delle cellule come precedentemente descritto. Conoscendo la posizione di tutte le aree sensibili 11, ? possibile creare una mappa bi-dimensionale della risposta allo stimolo.

Nell?implementazione in figura 10b, dove lo stimolo ? mandato alle cellule nell?area sensibile 20 attraverso l?elettrodo di gate di controllo 7 di un transistor 10, un generatore di stimoli 40 e un generatore di tensione costante 41 (il generatore di tensione costante ? comunque variabile in ampiezza) polarizzano alternativamente l?elettrodo di gate di controllo 7 a seconda dello stato dello switch 42. L?impulso ? mandato alle cellule in uno specifico punto, che ? il punto dell?area sensibile 11 del gate flottante 2 al quale il generatore di segnale 40 ? accoppiato tramite il capacitore creato con l?elettrodi di gate di controllo 7.

Le rimanenti aree sensibili 11 degli altri gate flottanti 2 registrano la risposta delle cellule presenti nell?area sensibile 20 dovuta allo stimolo, monitorando l?attivit? delle cellule come precedentemente descritto.

In questo modo, una specifica zona dell?area sensibile pu? essere stimolata, e una mappatura della risposta, cio? non solo il tipo di risposta ma anche la sua distribuzione spaziale, pu? essere effettuata dal sistema 100.

Claims

Rivendicazioni 1. Un sistema basato su un transistor organico (100) per il monitoraggio elettrofisiologico delle cellule che include: - Una pluralit? di transistor organici (10), ciascun transistor organico (10) della pluralit? comprendente: o Un elettrodo di gate flottante (2); o un elettrodo di source (5) e un elettrodo di drain (6); o un semiconduttore organico; o uno strato isolante (3, 4) realizzato tra detti elettrodi di source e drain (5, 6), e detto elettrodo di gate flottante (2), detto strato isolante (3, 4) avente uno spessore compreso tra circa 1 nm e circa 100 nm o una capacit? per unita? di area compresa tra circa 10 nF/cm2 e circa 150 nF/cm2; - Un?area sensibile (20), detta area sensibile comprendente una prima porzione (11) dell?elettrodo di gate flottante (2) di ciascuno di detti transistor (10) di detta pluralit?, detta area sensibile (20) essendo atta ad essere in prossimit? di o in contatto con dette cellule da monitorare; - Una barriera (21) che separa meccanicamente detta area sensibile (20) e il resto del sistema (100); Ciascun transistor (10) di detta pluralit? include inoltre - Un elettrodo di gate di controllo (7) accoppiato ad una seconda porzione di detto elettrodo di gate flottante (2) esterna a detta area sensibile attraverso un capacitore, detto elettrodo di gate di controllo essendo separato da detto elettrodo di gate flottante (2) da detto strato isolante (3, 4), detto elettrodo di gate di controllo (7) essendo atto a impostare il punto di lavoro del transistor organico (10) al quale l?elettrodo di gate di controllo appartiene, tramite una polarizzazione (VGS) ad esso applicata.
2. Il sistema (100) secondo la rivendicazione 1, che include un elemento di comparazione atto all?impostazione di una pluralit? di dette tensioni di controllo (VGS), essendo ciascuna tensione di controllo applicata al rispettivo elettrodo di gate di controllo (7) di ciascun transistor organico (10) della pluralit?, dette tensioni di controllo (VGS) essendo selezionate in maniera tale che tutti i transistor organici della pluralit? abbiano sostanzialmente la stessa corrente di drain (IDS) durante il monitoraggio dell?attivit? cellulare.
3. Il sistema (100) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detta tensione di controllo ? una tensione applicata tra il detto elettrodo di gate di controllo (7) e il detto elettrodo di source (5).
4. Il sistema (100) secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, dove la sovrapposizione tra l?elettrodo di source (5), l?elettrodo di drain (6) e l?elettrodo di gate flottante (2) ? inferiore al 3% dell?area di canale W X L dove L ? definita come una distanza tra gli elettrodi di source (5) e drain (6) e W ? una larghezza dell?elettrodo di source e/o di drain.
5. Il sistema (100) secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, in cuiciascuno dei detti transistor organici (10) ? un transistor organico a film sottile (OTFT).
6. Il sistema (100) secondouna qualunque delle precedenti rivendicazioni, in cuidetta pluralit? di transistor organici (10) include almeno otto transistor organici.
7. Il sistema (100) secondouna qualunque delle precedenti rivendicazioni, che include un substrato (1) sul quale detto elettrodo di gate flottante (2) ? formato, detto substrato (1) comprendente un materiale plastico flessibile.
8. Il sistema (100) secondola rivendicazione 7, in cui detto substrato (1) ? almeno parzialmente trasparente alle radiazioni nel visibile.
9. Il sistema (100) secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, in cuidetta prima porzione (11) dell?elettrodo di gate flottante (2) di ciascun transistor (10) include un?area con la dimensione maggiore compresa tra 1 ?m e 100 ?m.
10. Il sistema (100) secondouna qualunque delle precedenti rivendicazioni, in cuidetto elettrodo di gate flottante (2) ? fatto di o include un materiale biocompatibile.
11. Il sistema (100) secondo la rivendicazione 10, in cuidetto elettrodo di gate flottante (2) ? fatto di o coperto con Au, Ti, TiO2, TiN, Al, indium tin oxide (ITO), PEDOT:PSS, o inchiostro d?Argento, e qualsiasi combinazione di questi.
12. Il sistema (100) secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, nel quale detto strato isolante (3, 4) include uno strato di ossido metallico (3) con un primo spessore compreso tra circa 0 nm e circa 20 nm e una prima permettivit? relativa ?1, e uno strato di polimero isolante (4) con un secondo spessore compreso tra circa 0 nm e circa 50 nm e una seconda permettivit? relativa ?2 e che formi un?interfaccia con detto semiconduttore organico, dove detti primo e secondo spessore non sono contemporaneamente pari a zero.
13. Il sistema (100) secondola rivendicazione 12, in cuidette prima e seconda permettivit? relative soddisfano la seguente equazione
14. Il sistema (100) secondo la rivendicazione 12 o 13, in cui detto strato di polimero dielettrico (4) include poly(p-xylylene) e/o suoi derivati.
15. Il sistema (100) secondola rivendicazione 14, in cuidetto strato di polimero dielettrico (4) include parylene alogenato.
16. Il sistema (100) secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, in cui detti elettrodi di source e/o di drain (5, 6) includono oro.
17. Il sistema (100) secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, in cuidetto elettrodo di gate flottante (2) ha una configurazione interdigitata.
18. Un metodo per la rilevazione dell?attivit? cellulare, dette cellule posizionate sopra un? area sensibile, tramite un sistema (100) che include: - Una pluralit? di transistor organici (10), ciascun transistor organico (10) della pluralit? comprendente: - Un elettrodo di gate flottante (2); - un elettrodo di source (5) e un elettrodo di drain (6); - un semiconduttore organico; - uno strato isolante (3, 4) realizzato tra gli elettrodi di source (5) e drain (6), e detto elettrodo di flottante gate (2), detto strato isolante (3, 4) avente o uno spessore compreso tra circa 1 nm e circa 100 nm o una capacit? per unit? di area compresa tra circa 10 nF/cm2 e circa 150 nF/cm2; - un elettrodo di gate di controllo (7) separato da detto elettrodo di gate flottante (2) tramite detto strato isolante (3, 4); - Detta area sensibile (20) comprendente una prima porzione (11) dell?elettrodo di gate flottante (2) di ciascun detto transistor organico (10) della detta pluralit?, detta area sensibile (20) atta ad essere in prossimit? di o in contatto con dette cellule da monitorare; ed detto elettrodo di gate di controllo (7) essendo accoppiato con una seconda porzione dell?elettrodo di gate flottante (2) esterna a detta area sensibile (20) tramite un capacitore; - una barriera (21) che separi meccanicamente detta area sensibile (20) e il resto del rimanente detto sistema (100); il metodo comprendente le fasi di: - impostazione del punto di lavoro di ogni transistor organico (10) tramite l?applicazione di una polarizzazione (VGS) ai rispettivi elettrodi di gate di controllo (7) appartenenti a ciascun transistor organico (10); - misura della corrente di drain (IDS) di ciascun transistor organico (10) della pluralit?; - controllo delle variazioni della corrente di drain (IDS) causata dalla ridistribuzione di carica nell?elettrodo di gate flottante (2) dovuta all?attivit? elettrofisiologica delle cellule.
19. Il metodo secondo la rivendicazione 18, in cuidetto punto di lavoro per tutti i transistor organici (10) della detta pluralit? ? tale che le correnti di drain (IDS) di detti transistor organici di detta pluralit? siano sostanzialmente identiche.
20. Il metodo secondo la rivendicazione 18 o 19, in cuiciascun transistor organico (10) di detta pluralit? include i passaggi di: - Applicazione di una differenza di potenziale (VDS) tra gli elettrodi di drain (6) e source (5) compresa tra 0 < VDS ? 3 Volt; e/o - Applicazione di una differenza di potenziale (VGS) tra detto elettrodo di gate di controllo (7) e detto elettrodo di source (5) compresa tra 0 < VGS ? 3 Volt.
21. Metodo per mandare uno stimolo elettrico ad una pluralit? di cellule viventi depositate su un sistema (100), detto sistema (100) comprendente: - Una pluralit? di transistor organici (10), ciascun transistor organico (10) della pluralit? comprendente: o Un elettrodo di gate flottante (2); o un elettrodo di source (5) e un elettrodo di drain (6); o un semiconduttore organico; o uno strato isolante (3, 4) realizzato tra gli elettrodi di source (5) e drain (6), e detto elettrodo di flottante gate (2), detto strato isolante (3, 4) avente o uno spessore compreso tra circa 1 nm e circa 100 nm; o una capacit? per unit? di area compresa tra circa 10 nF/cm2 e circa 150 nF/cm2; - Un?area sensibile (20), detta area sensibile (20) comprendente una prima porzione (11) dell?elettrodo di gate flottante (2) di ciascun detto transistor (10) della detta pluralit?, detta area sensibile (20) essendo atta ad essere in prossimit? di o in contatto con dette cellule da monitorare; - Una barriera (21) che separi meccanicamente detta area sensibile (20) e il resto del detto rimanente sistema (100); - Dove ciascun transistor organico (10) della detta pluralit? include o Un elettrodo di gate di controllo (7) accoppiato ad una seconda porzione di detto elettrodo di gate flottante (2) esterna a detta area sensibile (20) per mezzo di un capacitore, detto elettrodo di gate di controllo (7) essendo separato da detto elettrodo di gate flottante (2) da un strato isolante (3, 4); - Detto metodo comprendente le fasi di o Applicare uno stimolo a dette cellule per mezzo di detto elettrodo di gate flottante (2) di un transistor organico (10) di detta pluralit? o per mezzo di detto elettrodo di gate di controllo (7) di un transistor organico (10) di detta pluralit?.
22. Il metodo secondo la rivendicazione 21, comprendente inoltre la fase di o Rilevazione della risposta di dette cellule al detto stimolo attraverso la prima porzione (11) di detto elettrodo di gate flottante (2) dei rimanenti transistor organici (10) della detta pluralit?.
23. Il metodo secondo la rivendicazione 22, dove la rilevazione della risposta a detto stimolo comprende: o Mappare in modo bi-dimensionale detta risposta a detto stimolo, detta mappatura comprendente la localizzazione della posizione di ciascuna prima porzione (11) di detto gate flottante (2) di ciascun transistor organico (10) che rileva una risposta.