I fondi di caffè di scarto un giorno potranno aiutare a rilevare le onde cerebrali

Non c’è niente come una tazza di caffè fumante per dare una spinta veloce alla tua mattinata. Ora, c’è ancora un altro motivo per amare la bevanda. Oggi, i ricercatori segnalano la prima applicazione di fondi di caffè usati come rivestimenti per elettrodi ecologici per misurazioni neurochimiche sensibili. Il materiale potrebbe eventualmente aiutare gli scienziati a gestire meglio l’attività cerebrale e rilevare livelli minimi di neurotrasmettitori.

I ricercatori presenteranno i loro risultati al meeting di primavera dell’American Chemical Society (ACS). ACS Spring 2022 è una riunione ibrida che si terrà virtualmente e di persona dal 20 al 24 marzo, con accesso su richiesta disponibile dal 21 marzo all’8 aprile. La riunione prevede oltre 12.000 presentazioni su un’ampia gamma di argomenti scientifici.

I fondi di caffè esauriti sono stati precedentemente utilizzati per produrre supercondensatori di carbonio porosi per l’accumulo di energia. Ma ora, una nuova ricerca guidata dalla ricercatrice principale Ashley Ross, Ph.D., ha portato i rifiuti di caffè riciclati in un’altra direzione, più biologica. Lei e il suo team hanno dimostrato che gli elettrodi rivestiti con il carbonio di questi rifiuti possono rilevare tracce di biomolecole in vitro. Secondo Ross, questo è il primo esempio di fondi residui di caffè riutilizzati per applicazioni di biorilevamento.

“Ho visto documenti sull’utilizzo di terreni esauriti per produrre carbonio poroso per l’accumulo di energia e ho pensato che forse avremmo potuto utilizzare questo materiale conduttivo nel nostro lavoro di rilevamento neurochimico”, afferma Ross. “E ho anche pensato che questa sarebbe stata una buona scusa per comprare un sacco di caffè per il laboratorio!” Ross, che frequenta l’Università di Cincinnati, e diversi membri del suo team si dichiarano amanti del caffè.

I tradizionali microelettrodi utilizzati dai neuroscienziati sono comunemente realizzati in fibra di carbonio: sottili fili di carbonio solido raggruppati insieme. Realizzarli è in genere un processo arduo e costoso, che coinvolge più passaggi e sostanze chimiche aggressive. Alla fine, Ross vuole fabbricare interi elettrodi con il carbonio dei fondi di caffè perché questo tipo di approccio sarebbe economico e rispettoso dell’ambiente. Come primo passo verso la realizzazione di tale obiettivo, i ricercatori hanno adattato il materiale dal terreno come rivestimento per elettrodi convenzionali.

Kamya Lapsley, che era una studentessa estiva nel laboratorio di Ross e che attualmente è una studentessa universitaria alla Kent State University, ha accettato questa sfida iniziale. Lei e altri membri del laboratorio hanno asciugato i fondi di caffè usati e li hanno riscaldati in un forno tubolare a circa 1.300 F. Successivamente, hanno aggiunto il materiale a una soluzione di idrossido di potassio per attivare il carbonio e aprire buchi nella struttura. Quindi, i ricercatori hanno riscaldato nuovamente la miscela sotto azoto per rimuovere eventuali sottoprodotti indesiderati. Ciò che restava era un impasto liquido color inchiostro pieno di granelli di carbonio poroso. Come passaggio finale, i ricercatori hanno diluito il fango con acqua, in cui hanno immerso gli elettrodi in fibra di carbonio per rivestirli con uno strato di carbonio poroso quasi cento volte più sottile del diametro di un capello umano. 

I ricercatori hanno confrontato le prestazioni degli elettrodi rivestiti e non rivestiti per il rilevamento di piccole quantità di dopamina, un neurotrasmettitore, con la voltammetria ciclica a scansione rapida. Con questa tecnica, hanno applicato una tensione che varia rapidamente all’elettrodo per ossidare e ridurre alternativamente la dopamina. La tecnica è abbastanza veloce da rilevare il rilascio di neurotrasmettitori in meno di un secondo, come accadrebbe nel cervello. I ricercatori hanno scoperto che gli elettrodi rivestiti con carbonio poroso hanno raggiunto livelli di corrente ossidativa tre volte superiori rispetto alle fibre di carbonio nude in presenza di dopamina, indicando che l’elettrodo rivestito offriva una superficie più sensibile per il rilevamento della dopamina. Non solo la struttura porosa consente a più molecole di dopamina di partecipare alla reazione a causa dell’ampia superficie del rivestimento, inoltre intrappola momentaneamente le molecole di dopamina nelle fessure dell’elettrodo, afferma Ross. Queste proprietà aumentano la sensibilità e consentono ai ricercatori di effettuare misurazioni più rapide. Il gruppo sta ora esplorando l’impatto di questi rivestimenti porosi sulla risoluzione temporale della tecnica.

Successivamente, il team realizzerà elettrodi in fibra di carbonio da zero con carbonio poroso da fondi di caffè di scarto, che darebbe agli elettrodi una porosità uniforme non solo sulla superficie, ma anche in tutto e per tutto. Ross prevede che ciò aumenterà le loro capacità di rilevamento neurochimico perché una superficie totale ancora più ampia dell’elettrodo sarà esposta per adsorbire le molecole di dopamina. Allo stesso tempo, Ross ha in programma di mettere alla prova gli attuali elettrodi rivestiti di caffè nel cervello di ratti vivi.

Nel frattempo, non mancherà il materiale di partenza per portare a termine le fasi successive del progetto, perché l’intero laboratorio sembra amare la loro birra. “Gli studenti laureati hanno fornito un bel po’ di fondi di caffè, più di quelli di cui avremo mai bisogno”, afferma Ross. “Il mio intero laboratorio ha davvero adorato questo progetto.”

I ricercatori riconoscono il sostegno e il finanziamento del National Institutes of Health e della National Science Foundation.