Materiali avanzati per piattaforme ad alta resa nello studio di biofilm elettroattivi = Advanced materials for high-throughput platforms in electroactive biofilm studies

I biofilm batterici rappresentano una complessa forma di organizzazione microbica, con un impatto complessivo tanto benefico quanto dannoso. Da un lato, sono responsabili di rilevanti criticità dall’ambito industriale a quello sanitario, con un peso economico globale stimato di circa 5 trilioni di dollari l’anno; dall’altro, le loro peculiari proprietà aprono prospettive promettenti nella biosensoristica, nel biorisanamento ambientale, nel trattamento delle acque reflue e nella produzione di energia tramite sistemi bioelettrochimici. In questo contesto, i biofilm elettroattivi (comunità microbiche aderenti a superfici conduttive e capaci di trasferire elettroni in maniera collettiva) rivestono un ruolo cruciale per le applicazioni biotecnologiche. L’obiettivo di questa tesi è la valutazione e la selezione di materiali idonei allo sviluppo di una piattaforma ad alta resa per l’analisi di biofilm elettroattivi. Sono stati indagati materiali a base grafitica (carbon paper, sia nella forma nativa sia funzionalizzato con un rivestimento nanostrutturato polimerico ottenuto tramite electrospinning) e materiali a base grafenica (laser-induced graphene, LIG), scelti per la loro conducibilità elettrica, biocompatibilità e per la possibilità di modulare le proprietà superficiali. L'analisi comparativa di questi substrati ha permesso di investigare come parametri chimico-fisici quali composizione chimica, rugosità e distribuzione di carica modulino i processi di adesione microbica e il conseguente sviluppo delle comunità batteriche. Dato che il lavoro si focalizza su biofilm caratterizzati dalla presenza di batteri elettroattivi, la loro crescita è stata monitorata mediante celle a combustibile microbiche (MFC), tecnologie generalmente impiegate per la produzione di energia e particolarmente adatte per il monitoraggio della crescita di biofilm, in quanto consentono di correlare direttamente il segnale elettrico prodotto dai microrganismi con il loro metabolismo e sviluppo. In questo lavoro di tesi sono state effettuate caratterizzazioni elettrochimiche mediante voltammetria a scansione lineare (LSV), per determinare le curve di polarizzazione e le prestazioni complessive del sistema, e spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) in configurazioni a cella intera e semicella, per analizzare la resistenza di trasferimento di carica, la capacità del doppio strato elettrico e fenomeni diffusivi. Questo studio contribuisce allo sviluppo di piattaforme avanzate per la comprensione delle basi della crescita dei biofilm su materiali conduttivi, con prospettive future indirizzate alla biosensoristica medica e alla medicina personalizzata, abilitando potenzialmente diagnosi precoci e analisi in tempo reale dello stato di salute, attraverso lo studio delle dinamiche del microbioma.