Edible and carbon-based functional materials for novel organic bioelectronic devices

Organic electronic materials have recently raised the attention of the scientific community for their enticing mechanical properties, the ability to enable mixed electronic and ionic charge transport, as well as the possibility to chemically engineer selective interaction pathways with a variety of biological elements, including proteins, cells and living tissues. Moreover, organic materials have demonstrated an unparalleled ease of processability, lending themselves to a plethora of different cost-effective and up-scalable fabrication and deposition techniques. The combination of these factors defines a remarkable potential for these materials as a pervasive bridging technology, able to provide novel tools to connect the world of biology and medicine with that of electronics. This dissertation focuses on the development of novel organic bioelectronic devices for applications in edible electronics and in cell-proliferation monitoring. In particular, it is hereby reported on the investigation of the charge transport properties of three different nature-inspired hydrogen-bonded latent pigments, on tattoo-paper as a simple and versatile platform for the integration of fully-printed organic circuitry on food and pharmaceutical drugs, and finally on a novel approach to in vitro cell-proliferation monitoring, based on polymer-wrapped carbon nanotube electrolyte-gated transistors.

Negli ultimi anni, i composti utilizzati in elettronica organica hanno suscitato l’attenzione della comunità scientifica per via delle loro interessanti proprietà meccaniche, la capacità di favorire sia il trasporto di cariche ioniche che elettroniche, e la possibilità di essere funzionalizzati chimicamente al fine di favorire l’interazione specifica con proteine, cellule, e tessuti biologici. Un ulteriore motivo di interesse è determinato dalla facilità con cui tali materiali possono essere processati e depositati, prestandosi così ad una varietà di tecniche di fabbricazione scalabili e a basso costo. La combinazione di tali fattori definisce un importante potenziale per lo sviluppo di una tecnologia pervasiva, in grado di mettere in comunicazione il mondo della biologia e medicina con quello dell’elettronica. Questa tesi si focalizza sullo sviluppo di nuove tipologie di dispositivi bioelettronici organici, per applicazioni nell’ambito dell’elettronica commestibile e del monitoraggio della proliferazione cellulare in vitro. I risultati sperimentali qui presentati riportano nello specifico lo studio delle proprietà di trasporto di tre differenti pigmenti organici, lo sviluppo di una piattaforma basata su carta-tattoo per l’integrazione di elettronica organica biocompatibile su alimenti e medicinali, e infine presentano un nuovo approccio per il monitoraggio della proliferazione cellulare in vitro mediante l’uso di transistor elettrolitici basati su nanotubi di carbonio.