L'attività di ricerca presentata è finalizzata allo sviluppo alla realizzazione di un microincubatore in tecnologia lab-on-chip che si propone come payload scientifico per studi radiobiologici su piattaforme nanosatellitari. Il sistema proposto mira a fornire analisi in situ e in tempo reale degli effetti delle radiazioni spaziali su colture cellulari viventi in conformità con i vincoli di compattezza, di funzionamento automatizzato e di basso consumo energetico della sopracitata categoria di satelliti. Le motivazioni di tale studio risiedono nella necessità di migliorare la quantificazione degli effetti dell'ambiente spaziale sugli organismi viventi, per future missioni umane di spazio profondo, e di facilitare lo sviluppo di contromisure per mitigarli. Il sistema proposto è composto da una camera di incubazione, in grado di ospitare colture cellulari di vario tipo, collegata ad una rete microfluidica polimerica progettata per garantire l'apporto di nutrienti e/o farmaci in modo controllato al fine di consentire diversi protocolli sperimentali, a seconda del tipo di cellule e del target dell'esperimento. Una seconda rete è utilizzata per la distribuzione dell'anidride carbonica, attraverso una sottile membrana gas permeabile, per regolare le condizioni ambientali della coltura cellulare. La microrete fluidica è incollata su un substrato di vetro sul quale vengono fabbricati un set di sensori in silicio amorfo idrogenato (a-Si:H) e riscaldatori resistivi a film sottile. I riscaldatori a film sottile e i diodi a-Si:H permetteranno un controllo accurato della temperatura locale su ogni camera di microincubazione; i fotosensori a-Si:H saranno depositati nella medesima posizione al fine di rilevare l¿emissione di bioluminescenza, che fornisce informazioni sugli effetti della radiazione sulle colture cellulari.
In seguito all'esplosione della cosiddetta space economy, con l'imminente era del turismo spaziale e in vista delle future missioni di esplorazione umana verso la Luna e Marte, vi è un crescente interesse nello sviluppo di sistemi di analisi chimica e biochimica per missioni spaziali, con o senza equipaggio. In tale contesto, i sistemi lab-on-chip aprono nuove possibilità nel campo delle applicazioni spaziali, tra cui lo studio dei sistemi biologici nell'ambiente spaziale, la ricerca di molecole di precursori della vita nell'esplorazione planetaria e il monitoraggio della salute degli astronauti. Il concetto di lab-on-chip è figlio della miniaturizzazione e dell'integrazione di tutte le fasi dell'analisi biomolecolare all'interno di un singolo dispositivo con tempi di risposta brevi, volumi di campione ridotto, operabilità sul campo, basso consumo di energia e alta stabilità. Tuttavia, molti dispositivi "lab-on-chip" impiegati ad oggi in missioni spaziali sono semplicemente dispositivi microfluidici, adatti per l'implementazione efficiente di protocolli analitici ma che richiedono un ambiente controllato per il funzionamento e strumenti esterni come microscopi, fluorimetri o spettrometri per la lettura delle informazioni analitiche con un impatto negativo sulla potenza
i consumi e il budget dei dati. Per questo motivo, tali dispositivi microfluidici sono spesso chiamati chip-in-lab. Il percorso verso la piena integrazione di tali sistemi parte dai limiti di integrazione dei dispositivi convenzionali per quanto riguarda la microfluidica, la generazione di segnali analitici e la loro rilevazione.
Affrontando tali punti, il seguendo progetto contribuisce alla messa a punto di una nuova classe di sistemi lab-on-chip. Le soluzioni ingegneristiche proposte sono volte alla realizzazione di dispositivi completamente autonomi, scalabili e adattabili a diverse applicazioni, spaziali e non. L'impiego di reti microfluidiche consente di lavorare in regime di flusso a capillarità forzata, muovendo il campione all'interno del dispositivo senza la necessità di pompe o strumentazione esterna. La parte analitica si basa sull'utilizzo di reazioni chemiluminescenti che garantiscono un'elevata selettività e rilevabilità senza la necessità di sorgenti di radiazioni esterne e di ottiche di filtraggio. La tecnologia proposta permette inoltre l'integrazione sullo stesso chip della fase di rivelazione e trasduzione del segnale ottico-analitico, attraverso una rete di fotosensori a film sottile in silicio amorfo idrogenato, laddove fotosensori e CCD in silicio cristallino non lo permettono.
Il sistema risultante soddisferà in tal modo i vincoli di ridotto ingombro, massa e basso consumo di potenza dettati da applicazioni su piattaforme nanostellitari. Ciò aggiunge valore al progetto in quanto l'impiego di queste piccole piattaforme spaziali permette di condurre diversi tipi di esperimenti in parallelo utilizzando lo stesso sistema, uno per ogni esperimento. Inoltre opportunità di lancio di piattaforme nanosatellitari sono accessibili ad un più ampio pubblico, da piccole aziende a realtà universitarie. Il tutto si traduce nella possibilità di disporre di dati statistici pertinenti per ogni scenario esplorativo e per ogni tipo di campione biologico. Un tale scenario darebbe impulso alle "Scienze della Vita" nel campo spaziale e si espanderebbe notevolmente le conoscenze allo stato dell'arte in quanto rilevanti statistiche spesso mancano negli attuali esperimenti nello spazio, principalmente a causa dell'impossibilità di eseguire un numero adeguato di ripetizioni dovuto alle limitazioni di volume e di massa sulle attuali piattaforme dedicate alle Scienze della Vita.