VÝVOJ CHYTRÝCH POTENCIOMETRICKÝCH SENZORŮ POTAŽENÝCH VRSTVAMI ODOLNÝMI BIOPASIVACI PRO DETEKCI RANÉHO STÁDIA ZÁNĚTLIVÝCH PROCESŮ KOLEM KLOUBNÍCH NÁHRAD

Význam tématu

Infekce spojené s biofilmem u ortopedických implantátů představují vážný klinický problém se silnými patofyziologickými změnami v okolí náhrady (pokles pH, produkce reaktivních kyslíkových forem, nerovnováha iontů). Včasná detekce počínajícího zánětu či bakteriální infekce in situ může významně zlepšit prognózu a snížit ekonomické náklady spojené s revizními operacemi.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo vyvinout a charakterizovat smart potenciometrické senzory pro detekci raných zánětlivých procesů kolem kloubních implantátů: selektivní ROS senzor na bázi polythiofenu s kovem v porfyrinovém centru a pH senzor na bázi polyanilinu. Oba systémy jsou potažené ne-biofouling vrstvou poly(2-methyl-2-oxazolin)u (PMeOx) pro zajištění biokompatibility a ochrany před adsorpcí proteinů.

Použitá metodika a instrumentace

Elektropolymerizace a charakterizace polymerních vrstev byly provedeny pomocí:

• Autolab PGSTAT302N (potenciostat)
• 6-kanálový voltmetr s vysokou vstupní impedancí (Lawson Laboratories)

Spectroskopie a mikroskopie:

• Ramanův mikroskop Via Reflex (Renishaw, λ_exc 514 nm)
• Snímkování skenovacím elektronovým mikroskopem JEOL 6400
• Rentgenová fotoelektronová spektroskopie K-Alpha+ (ThermoFisher Scientific)

Hlavní výsledky a diskuse

ROS senzor (poly-3TTP-Fe/PMeOx) detekuje H2O2 s lineárním potenciometrickým výstupem v rozsahu 0,05–10 µM, s citlivostí ~32 mV/dekáda. Nevykazuje interferenci s bovinním sérovým albuminem a v přítomnosti katalasy citlivost stoupá až na ~44 mV/dekádu. Senzor neodpovídá na ClO– v biologicky relevantním rozsahu, což potvrzuje selektivitu k H2O2.
pH senzor (PANI/PMeOx na Ti-6Al-4V) vykazuje Nernstovu citlivost –59,6 mV/pH v rozsahu pH 5–8, stabilní standardní potenciál 558,9±8,3 mV a odolnost proti proteinu BSA díky PMeOx vrstvě.

Přínosy a praktické využití metody

Vyvinuté senzory umožňují rychlou a citlivou potenciometrickou detekci patofyziologických změn kolem implantátů v reálném čase, s možností přímého in situ monitorování. Robustní konstrukce a ne-náročná příprava vrstev zvyšují perspektivu implantabilní aplikace.

Budoucí trendy a možnosti využití

Další vývoj se zaměří na integraci senzorů s nosnou elektronikou pro dlouhodobé sledování in vivo, rozšíření panelu detekovaných markerů (další ROS, cytokiny) a miniaturizaci elektrod pro vícebodové monitorování zánětlivých mikroprostředí.

Závěr

Byly připraveny dva typy implantabilních potenciometrických senzorů s vysoce selektivními a reprodukovatelnými reakcemi na ROS a pH typickém pro zánětlivé i infekční procesy kolem ortopedických implantátů. Ochranná vrstva PMeOx zabezpečuje biokompatibilitu a stabilitu senzoru v biologickém prostředí.

Reference

1. Arciola C. R., Campoccia D., Montanaro L.: Nat. Rev. Microbiol. 16, 397 (2018).
2. McLean R. J. C., Lam J. S., Graham L. L.: J. Bacteriol. 194, 6706 (2012).
3. Lebeaux D., Ghigo J.-M., Beloin C.: Microbiol. Mol. Biol. Rev. 78, 510 (2014).
4. Zhao S., Zang G., Zhang Y., Liu H., Wang N., Cai S., Wang G.: Biosens. Bioelectron. 179, 113052 (2021).
5. Cuartero M., Crespo G. A.: Curr. Opin. Electrochem. 10, 98 (2018).
6. Pendyala S., Natarajan V.: Respir. Physiol. Neurobiol. 174, 265 (2010).
7. Saran M., Bors W.: Free Radical Res. Commun. 7, 213 (1989).
8. Al-Ahmad A., Wiedmann-Al-Ahmad M., Faust J., Bachle M., Follo M., Wolkewitz M., Kohal R.: J. Biomed. Mater. Res., Part B 95, 101 (2010).
9. Movafagh S., Crook S., Vo K.: J. Cell Biochem. 116, 696 (2015).
10. Iyer N. V., Kotch L. E., Agani F., Leung S. W., Laughner E., Wenger R. H., Semenza G. L.: Genes Dev. 12, 149 (1998).
11. Aydin M.: Vib. Spectrosc. 68,141 (2013).
12. Urbánek T., Ivanko I., Svoboda J., Tomšík E., Hrubý M.: Sens. Actuators, B 363, 131827 (2022).
13. Daniels J. S., Pourmand N.: Electroanalysis 19, 1239 (2007).
14. Dai H., Lu W., Zuo X., Zhu Q., Pan C., Niu X., Liu J., Chen H.L., Chen X.: Biosens. Bioelectron. 95, 131 (2017).
15. Balasubramanian P., Annalakshmi M., Chen S.-M., Sathesh T., Peng T.-K., Balamurugan T. S. T.: ACS Appl. Mater. Interfaces 10, 43543 (2018).
16. Manavalan S., Ganesamurthi J., Chen S. M., Veerakumar P., Murugan K.: Nanoscale 12, 5961 (2020).
17. Vitai M., Gőth L.: Clin. Chim. Acta 1, 35 (1997).
18. Li P., Jia Y., Zhao N., Zhang Y., Zhou P., Lou Z., Han K.: Anal. Chem. 92, 12987 (2020).
19. Tan H., Wu X., Weng Y., Lu Y., Huang Z.-Z.: Anal. Chem. 92, 3447 (2020).
20. Furukawa Y., Ueda F., Hyodo Y., Harada I., Nakajima T., Kawagoe T.: Macromolecules 21, 1297 (1988).
21. Tomšík E., Laishevkina S., Svoboda J., Gunar K., Hromádková J., Shevchenko N.: Sensors 22, 2784 (2022).
22. Furst A. L., Francis M. B.: Chem. Rev. 119, 700 (2018).
23. Settu K., Chen C. J., Liu J. T., Chen C. L., Tsai J. Z.: Biosens. Bioelectron. 66, 244 (2015).
24. Ismail R., Šeděnková I., Černochová Z., Romanenko I., Pop-Georgievski O., Hrubý M., Tomšík E.: Biosensors 12, 446 (2022).
25. Macdiarmid A. G., Chiang J. C., Huang W., Humphrey B. D., Somasiri N. L. D.: Mol. Cryst. Liq. Cryst. 125, 309 (1985).
26. Boeva Z. A., Sergeyev V. G.: Polym. Sci., Ser. C 56, 144 (2014).
27. Tomšík E., Gunár K., Krunclová T., Ivanko I., Trousil J., Fojt J., Hrubý M.: Adv. Mater. Interfaces 10, 2201878 (2022).