Dalla diagnostica oncologica non invasiva con sensori in grado di scovare i tumori nei liquidi umani senza mezzo di contrasto, all’imaging medico con precisione temporale mai raggiunta prima, passando per sensori capaci di rilevare in tempo reale sostanze tossiche nell’aria o radioattività nel suolo e modelli predittivi in grado di correlare inquinamento e malattie: il Dipartimento Interuniversitario di Fisica dell’Università di Bari Aldo Moro e del Politecnico di Bari ha aperto le porte del progetto europeo QuaSiModO (Quantum Sensing and Modeling for One-Health), per cui è stato insignito della qualifica di dipartimento di eccellenza, alle imprese e agli attori del territorio, mostrando una gamma di tecnologie che unisce ricerca di frontiera e potenziale industriale.
Salute. Tra le innovazioni in ambito medico, i ricercatori di Bari hanno presentato alle aziende un dispositivo microfluidico che, grazie a onde acustiche di superficie, separa cellule o particelle nei liquidi corporei senza ricorrere a marcatori chimici. Pensato per applicazioni di biopsia liquida, questo sistema consente di individuare cellule tumorali nel sangue con un approccio non invasivo, ripetibile e integrabile in apparecchi portatili. Sempre nel campo della diagnostica medica, il DIF ha presentato il suo avveniristico sensore QEPAS, basato sulla spettroscopia fotoacustica a diapason di quarzo, in grado di rilevare la presenza di biomarcatori tumorali nel respiro umano, aprendo la strada a strumenti non invasivi di screening di massa per specifici tipi di tumori.
Il Dipartimento, in collaborazione con i dipartimenti di Chimica e Farmacia, sviluppa anche dispositivi innovativi basati su superfici solide ricoperte da monostrati ultra-sottili di anticorpi, capaci di riconoscere con altissima selettività i biomarcatori di patologie gravi – come il tumore del pancreas – e di amplificarne il segnale in modo cooperativo. Questa tecnologia consente di realizzare biosensori estremamente sensibili e affidabili, in grado di fornire diagnosi rapide, non invasive e precoci, fino a rilevare anche un singolo biomarcatore. La ricerca barese ha anche sviluppato una “pelle elettronica” flessibile e sottile, dotata di sensori tattili in grado di imitare la sensibilità cutanea umana, con applicazioni che spaziano dalle protesi intelligenti alla robotica indossabile.
In stretta collaborazione con il Cern e l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, il DIF sta sviluppando dei sensori fisici chiamati Pixel Chamber, da impiegare come rivelatore di tracciamento nelle Camere Compton e capaci di ottenere immagini 3D ad alta risoluzione da radiazioni gamma grazie ai quali sarà possibile eseguire un monitoraggio online nei trattamenti di adroterapia oncologica con una precisione mai raggiunta. In una direzione analoga va anche il progetto di ricerca mondiale in corso, per la creazione del sistema di tomografia Pet-Tof di nuova generazione, progettato per raggiungere una precisione temporale di soli 10 picosecondi, riducendo le dosi di radiazione somministrata al paziente e migliorando l’identificazione precoce dei tumori. Il progetto contribuisce all’iniziativa internazionale The 10ps Challenge, che punta a trasformare l’imaging medico con risoluzioni temporali mai raggiunte prima.
Ambiente. Sul fronte ambientale, il Dipartimento ha illustrato alle aziende presenti all’incontro di Bari, i dispositivi creati dalle ricercatrici e dai ricercatori per analizzare, ad esempio, l’inquinamento di suolo e acque con spettrometri gamma ad alta risoluzione e dispositivi portatili, e rilevare particolato atmosferico a concentrazioni minime con rivelatori al germanio puro. L’imaging quantistico iperspettrale, che sfrutta correlazioni tra fotoni per ottenere immagini in ambienti ostili o complessi, apre nuove prospettive per il monitoraggio remoto e la protezione ambientale. Non manca un’applicazione diretta alla sicurezza pubblica: il sensore QEPAS, che i fisici di Bari stanno testando per lo screening oncologico, è stato impiegato anche per la realizzazione di sensori per il rilevamento selettivo di acido solfidrico (H₂S) in aree vulcaniche: testato in corrispondenza della fumarola più attiva nella zona dei Campi Flegrei, è in grado misurare concentrazioni minime di H₂S nei gas vulcanici in tempo reale, fornendo un supporto prezioso alle attività di protezione civile.
AI e Quantum computer. Il terzo pilastro del progetto del DIF è il calcolo quantistico applicato a sistemi complessi e l’intelligenza artificiale. I ricercatori hanno sviluppato digital twin quantistici e modelli basati su tensor network per simulare circuiti complessi, insieme a un modello ambientale ad alta risoluzione capace di stimare quotidianamente concentrazioni di inquinanti atmosferici con una griglia di soli 300 metri, integrando dati satellitari, stazioni di monitoraggio e intelligenza artificiale per studiare il legame tra inquinamento e malattie croniche o neurodegenerative. L’ infrastruttura computazionale supporta anche lo studio di malattie trasmesse da vettori, come nel caso del dataset nazionale sul West Nile Virus, con lo sviluppo di indicatori di rischio utili per la prevenzione sanitaria.
Le potenzialità dell’AI si estendono anche alla diagnostica medica, con un sistema cognitivo portatile per ecocardiografia in grado di valutare in tempo reale la qualità delle immagini acquisite, e algoritmi di “trigger intelligente” che selezionano i dati più rilevanti in contesti ad alto flusso informativo, come emergenze sanitarie o scenari di sicurezza ambientale. In ambito neuroscientifico, infine, il machine learning è stato applicato a immagini di risonanza magnetica per valutare l’efficacia di terapie su pazienti con emicrania o epilessia post-traumatica.
Il progetto QuaSiModO si avvale della collaborazione strategica di INFN, CNR e della spinta innovativa degli spin-off del Dipartimento GAP, PolySense Innovations, Flying DEMon, RAISE e QSENSATO.
“Con questa giornata – commenta Roberto Bellotti, direttore del DIF e nuovo rettore dell’Università di Bari – il Dipartimento di Fisica non si è limitato a mostrare i risultati della propria ricerca, ma ha aperto un dialogo concreto con le imprese, ponendo le basi per collaborazioni che possano trasformare prototipi da laboratorio in soluzioni reali per la salute delle persone, la protezione dell’ambiente e lo sviluppo tecnologico del territorio”.
