Revista >> Iunie 2021 [Nr. 235] >> Top Story

Rezultate notabile INCDFM pe frontul materialelor funcționale avansate și al dezvoltării de biosenzori

Dr. doc. Ioan Adrian Crisan, Dr. Victor Diculescu - INCDFM

18 Iunie 2021

De asemenea a fost desfăşurată o activitate de Cercetare industrială, AI.3 Optimizarea sistemelor cu necolinearitate de spin analizate la AF5-AF7 în raport cu efecte de magneto-impedanță, anizotropie magnetică şi cuplaje interfaciale, precum şi o activitate de Dezvoltare experimentală, ADE.2 Aplicaţie practică: Realizare de nou sensor sau actuator magnetic implicând sisteme cu structură necolineară de spin. Aceste activităţi au condus la realizarea a două sisteme magnetice pentru demonstratoare ca senzori/actuatori magnetici, şi anume clusteri de Fe în matrice de Au, şi, respectiv, sistem intermetalic de tip Fe-Gd sub formă de strat subţire
În fine, în cadrul D3 au fost desfăşurate câte o activitate din cele trei tipuri, şi anume AF.8 Găsirea celor mai bune combinaţii de materiale şi microstructuri/ concentraţii pentru obţinerea compozitelor cu proprietăţi mecanice controlate. Studii fundamentale de rupere, AI. 4 Procesarea/obţinerea probelor de boruri compozite eutectice: optimizarea parametrilor critici ai borurilor compozite eutectice, şi, respectiv, ADE.3 Aplicaţie practică: Cuţite pe bază de cristale eutectice pentru prelucrarea prin aşchiere. Au fost realizate procese de creştere, sinterizare, şi acoperire, au fost efectuate determinări structurale şi microstructurale, au fost efectuate studii ale ruperii compozitelor pe bază de boruri, în cristale eutectice, ceramică sau metal-ceramică ce conţin cristale eutectice. Ca rezultat al acestor activităţi de cercetare au fost produse prin Spark Plasmă Sintering 4 materiale compuse din structuri eutectice care au fost obţinute în sistemele B-C-Ti-Co, şi anume: (1) B4C + Co, (2) TiB2 + Co, (3) (B4C - TiB2)eutectic + Ţi + TiB2, şi, respectiv, (4) (B4C - TiB2)eutectic + Ţi, în forma cerută pentru aplicaţii ca şi cuţit de strung. Probele cu compoziţiile (B4C - TiB2)eutectic + Ţi şi, respectiv , (B4C - TiB2)eutectic + Ţi + TiB2 sunt de maxim interes practic în cazul aşchierii unor materiale cu duritate medie sau înaltă precum oțelurile, ultima compoziţie fiind aleasă de noi ca demonstrator de ’cuțit’ de strung pentru condiţiile specifice de lucru indicate.

Impact
Rezultatele obţinute au fost publicate în 41 de publicaţii indexate ISI (până în prezent, altele fiind încă în lucru, sau trimise recent) multe dintre acestea fiind în jurnale cu factor mare de impact (Superconductor Science and Technology, Applied Surface Science, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Scientific Reports, Nanomaterials, etc.) sau capitole de carte în volume apărute la edituri de prestigiu din străinătate (Springer). Directorul de proiect a fost editorul cărţii „Vortices and Nanostructured Superconductors”, Springer New-York.
Ca rezultat al cercetărilor industriale şi de dezvoltare experimentală au fost depuse 4 cereri de brevete de invenţii, o parte fiind deja aprobate.
Rezultatele proiectului au permis, de asemenea, depunerea unui număr de 6 proiecte de cercetare internaţionale, în cadrul Orizont 2020, cele declarate câştigătoare aducând în institut peste 400.000 Euro. Datorită recunoaşterii internaţionale dobândită odată cu rezultatele proiectului, grupul de cercetare în domeniul materialelor supraconductoare a devenit parte activă într-un nou proiect COST CA19108 High-Temperature SuperConductivity for AcceLerating the Energy Transition (Hi-SCALE), într-un domeniu în strânsă legătură cu noile directive europene privind tranziţia energetică spre energia verde şi reducerea emisiilor de bioxid de carbon.

Altă rezultantă a implementării proiectului constă în îmbunătăţirea infrastructurii institutului cu două echipamente care sunt, după ştiinţa noastră, unicat în ţară. Primul echipament este un cuptor cu topire zonală şi iluminare ultraintensă (4 lămpi cu halogen, radiaţia în infra-rosu fiind concentrată de 4 oglinzi parabolice), care poate atinge o temperatură de 2200 oC; un accesoriu important este un alt cuptor vertical cu rotator şi mişcare controlată pe verticală (metoda Bridgman) pentru sinterizarea barelor pentru cuptorul cu topire zonală. Ambele au fost fabricate de Crystal Systems Corporation, Hokuto, Yamanashi, Japonia. Cel de-al doilea echipament achiziţionat a fost un Sistem complex de testare a proprietăţilor mecanice, INSTRON (UK) model 5982 cu cuptor ATS model 3350.

Biosenzori electrochimici nanostructurați pentru diagnoză medicală și screening de compuși cu proprietăți farmaceutice - NANOBIOSURF
Obiectivul principal al proiectului POC-E NANOBIOSURF, condus de dr. Victor Diculescu, a vizat impulsionarea activității laboratorului „L2. Laboratorul pentru producerea, procesarea și analiza materialelor pentru îmbunătățirea calității vieții” al „Centrului de Cercetare, Inovare și Tehnologii pentru Materiale Noi – RITecC” din cadrul INCDFM, prin demararea de studii privind dezvoltarea de noi biosenzori nanostructuraţi pentru detecția biomarker-ilor unor afecțiuni medicale şi pentru monitorizarea liganzilor inhibitori și ai unor compuși cu proprietăți farmaceutice. Obiectivele specifice ale proiectului au fost legate de dezvoltarea și caracterizarea de noi suprafețelor conductoare și semi-conductoare nanostructurate pentru imobilizarea de biomolecule, pas esențial în dezvoltarea de biosenzori, prin prisma unor abordări complexe printr-o mare varietate de tehnici fizico-chimice și corelarea acestora cu metodele electrochimice.

În ciuda abordării unor noi domenii situate la interfața între fizică, chimie și biologie, la nivelul anului 2015 platforma Măgurele avea foarte puține rezultate notabile în domeniul (bio)senzorilor electrochimici. La acea vreme, noul Centru RITecC al INCDFM își propusese dezvoltarea a trei noi laboratoare de cercetare, dintre care unul era L2. Acest laborator își dorea o implicare mai intensă a metodelor dezvoltate până la acea dată în Știința Materialelor cu privire la procesul de preparare și analiza in situ în zona Biologiei Moleculare. În acest scop, s-a creat o echipă de implementare formată din 12 cercetători (inclusiv directorul de proiect), 8 din cadrul INCDFM și 4 poziții libere, 2 pentru studenți de doctorat și 2 dedicate cercetătorilor cu experiență. Având în vedere multidisciplinaritatea proiectului s-a avut în vedere o echipă ce a inclus fizicieni, chimiști și biochimiști pentru a facilita transferul de cunoștințe, un aspect care s-a dovedit esențial în timpul implementării proiectului. Din toate acestea se poate observa că implementarea proiectului în acest laborator a fost convenabilă, ducând într-un mod particular la dezvoltarea acestuia și încercând în general să ofere soluții în domeniul biotehnologiilor medicale și farmaceutice, atât prin reducerea costurilor asociate cercetării în acest domeniu, cât și prin inițierea unor tehnici de diagnostic precoce.
Componenta principală a proiectului a fost de cercetare fundamentală, dar pentru atingerea obiectivului au fost efectuate activități de dezvoltare experimentală și administrative.

Direcții de cercetare
Activitățile de cercetare s-au concentrat pe trei direcții specifice, cu referire directă la biomolecule (relevanța acestora în acord cu noile descoperiri în Biologie), la tehnicile și procedurile de detecție, precum și la controlul asupra suprafeței electrodului pentru imobilizarea biomoleculelor. Au fost implementate șase activități de cercetare:
• Activitatea 1. Strategii de imobilizare a necesitat fabricarea de noi suprafețe conductoare și semi-conductoare, integrarea biomoleculelor cu aceste nanomateriale pentru dezvoltarea de noi proceduri de imobilizare. Se remarcă diverse suprafețe metalice sau oxidice, dar și electrozi obținuți din fibre polimerice electrofilate, cu acoperire metalică. Anumite cercetări din cadrul acestei activități au dus și la dezvoltarea unor materiale cu aplicații în alte domenii, precum electro- și foto-cataliza.
• Activitatea 2. Caracterizarea interacțiilor biomoleculelor a avut în vedere caracterizarea interacțiilor dintre proteine și biomolecule precum substații enzimatici, dintre proteine și ioni metalici, dar și dintre ADN și compuși toxici.
• Activitatea 3. Biosenzori electrochimici pentru detecția biomarker-ilor a fost dedicată dezvoltării de biosenzori cu anticorpi pentru detecția de antigene, cu aptameri pentru detecția de proteine sau cu ADN pentru identificarea mutațiilor genetice.
• Activitatea 4. Caracterizarea activității enzimatice la suprafața biosenzorilor electrochimici nou dezvoltați a fost esențială pentru screening-ul de compuși inhibitori.
• Activitatea 5. Biosenzori electrochimici pentru screening-ul de liganzi inhibitori și compuși cu proprietăți farmaceutice. În cadrul acesteia au fost efectuate studii asupra inhibiției unor enzime cu înaltă relevanță în diverse tipuri de anomalii medicale. Au fost testați compuși chimici sintetici, molecule cu proprietăți farmacologice cunoscute, dar și compuși chimici naturali.
• Activitatea 6. Dezvoltarea experimentală a avut în vedere mai multe direcții de cercetare. Au fost caracterizate extracte de plante în scopul testării efectului inhibitor al acestora asupra unor enzime. Totodată, au fost testate noi sisteme de detecție precum tranzistorii cu canal nanofir și dezvoltat un dispozitiv cu detecție electrochimică pentru cuantificarea de ADN. De asemenea, au fost efectuate teste pe culturi celulare în vederea dezvoltării de (bio)senzori pentru cuantificarea gradului de oxigenare și detecția de biomarkeri ai stresului oxidativ.

În privința activităților administrative, acestea s-au axat pe două mari direcții. Prima se referă la achiziția de echipamente precum potențiostate, un sistem de cromatografie lichidă de înaltă performanță, un spectrometru de rezonanță a plasmonilor de suprafață. A fost dezvoltat și un laborator de Biologie și culturi celulare, cu contribuția fundamentală a dr. George Stan și dr. Adrian Enache, dar și a colaboratorilor dr. Elena Butoi (IBPC-NS) și dr. Mihaela Bacalum (IFIN-HH) pentru inițierea în investigațiile asupra culturilor celulare.