DiaCell
Il progetto DiaCell è finalizzato allo sviluppo di un innovativo bio-sensore cellulare realizzato in diamante che integri
- la stimolazione / rilevamento di segnali elettrochimici da reti cellulari in vitro con alta sensibilità e risoluzione spaziale;
- il rilevamento di particelle ionizzanti impiegate durante l’irraggiamento dei sistemi biologici in esame.
L’ottima biocompatibilità e resistenza alle radiazioni offerte dal diamante artificiale, combinate con le strategie di microfabbricazione sviluppate nell’ambito degli esperimenti INFN DIARAD e DiNaMo (Deep Ion Beam Lithography), permetterà la realizzazione di un bio-sensore integrato che potrà essere alla base di una nuova generazione di esperimenti di micro-radiobiologia. La prototipazione e convalida delle funzionalità di questo dispositivo rappresentano gli obiettivi principale del progetto.
Fig 1. Rappresentazione schematica del dispositivo proposto: (basso sinistra) visione d’insieme del dispositivo a multi-elettrodo con una cultura cellulare a bassa densità cresciuto su di esso e (alto destra) zoom di una delle aree di misura dove sono riportati i segnali acquisiti simultaneamente.
Fabbricazione dispositivo
Il dispositivo è costituito da un monocristallo di diamante artificiale di grado elettronico avente spessore di 60 µm. Los spessore è stato selezionato al fine di garantire il passaggio del fascio di particelle utilizzato negli esperimenti. La realizzazione degli elettrodi impiegati nell’integrazione dei due schemi di misura (biosensoristico e dosimetrico) è stata effettuata mediante Deep Ion Beam Lithography microfabbricando sulle due facce opposte del cristallo di diamante i rispettivi canali grafiti (strutture (16 canali per la biosensoristica e 32 canali per la dosimetria).
Fig 2. Immagini ottiche del diamante dopo i processi litografici: microfabbricazione elettrodi biosensoristica (alto sinistra) e dosimetrici (basso sinistra). In questo secondo caso sono visibili in trasparenza anche gli elettrodi biosensoristici.
Caratterizzazione rivelazione particelle
Gli elettrodi preposti alla rivelazione della radiazione ionizzante sono stati interfacciati con l’elettronica di front-end TOFFEE (Time-Of-Flight Front End Electronic) sviluppata nell’ambito del progetto INFN Ultra Fast Silicon Detector (UFSD).
Fig 3. : segnale ToT e l’istogrammi con la statistica totale dei segnali ottenuti irraggiando il sensore DIACELL con un nanofascio di raggi X con energia di 17 keV presso il Sincrotrone ESRF
Caratterizzazione biosensoristica
La misura biosensoristica permette di monitorare l’attività secretoria di cellule eccitabili. La line cellulare utilizzata è stata la Adrenal phaeochromocytoma (PC12), linea ottenuta dalle cellule del neuroblastoma della ghiandola surrenale
Fig 4 registrazione esemplificative di una cronoamperogramma in cui sono visibili le spighe associate ai singoli eventi secretori
Produzione di protoni a 13MeV protons in aria usando la reazione D(3He,p)4He
L’acceleratore che è stato utilizzato per i test con il dispositivo finale è l’AN2000, un acceleratore Van der Graaf a singolo stadio con tensione massima di lavoro di 2 MV. L’energia massima raggiungibile con un fascio di protoni è quindi insufficiente per oltrepassare lo spessore del diamante e quindi raggiungere le cellule.
Per ovviare a questa limitazione è stata realizzata una flangia che permette di estrarre aria un fascio isotropo di protoni con energia di 13 MeV sfruttando la reazione D(3He,p)4He che avviene con particelle 3He+ a 700 – 900 keV.
Fig 5, schematica della flangia dove sono evidenziati la posizione del rivelatore per la misura del flusso di protoni e la membrana di silicio ricoperta di titanio deuterato, essenziale per poter fornire la fonte di deuterio.
Fig 6 Spettro dei protoni misurato con un rivelatore al silicio con spessore 500 µm.
(L’energia depositata di 4 MeV corrisponde ad un fascio uscente dalla membrana di 12 MeV considerando lo spessore del rivelatore)