Τρισδιάστατα εκτυπωµένοι φορετοί αισθητήρες βασισµένοι σε Μεταλλο-Οργανικές Κατασκευές για τον ηλεκτροχηµικό προσδιορισµό γλυκόζης σε ιδρώτα
Εργαστήριο Ανόργανης Χημείας, Τμήμα Χημείας, Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών
Εργαστήριο Αναλυτικής Χημείας, Τμήμα Χημείας, Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών
Ίδρυμα Τεχνολογίας και Έρευνας / Δίκτυο ΠΡΑΞΗ
Π. ΖΑΦΕΙΡΟΠΟΥΛΟΣ Α.Ε.
Στόχος του έργου είναι η κατασκευή φορετών ηλεκτροχημικών αισθητήρων (τύπου δαχτυλίδι) κατάλληλων για τη μέτρηση γλυκόζης σε ανθρώπινό ιδρώτα. Οι αισθητήρες θα κατασκευάζονται με τρισδιάστατη εκτύπωση (3D-printing). O σακχαρώδης διαβήτης είναι από τις πιο διαδεδομένες ασθένειες και ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες θνησιμότητας. Η συχνή μέτρηση της γλυκόζης στο αίμα είναι απαραίτητη για τη λήψη κατάλληλης αγωγής και διατροφής. Σήμερα, υπάρχουν διαθέσιμοι φορητοί μετρητές γλυκόζης που φέρουν ηλεκτρόδια με ακινητοποιημένο ένζυμο (οξειδάση της γλυκόζης) που καταλύει την οξείδωση της γλυκόζης. Όμως, η χρήση τους απαιτεί τη λήψη αίματος από τον ασθενή που είναι επίπονη και δεν επιτρέπει τη συχνή δειγματοληψία.
Η εναλλακτική τεχνολογία μέτρησης της γλυκόζης παρέχει την παρακολούθηση της σε πραγματικό χρόνο. Αυτά τα συστήματα απαιτούν υποδόρια εμφύτευση ενζυμικών αισθητήρων που μετρούν τη συγκέντρωση της γλυκόζης στο μεσοκυττάριο υγρό του δέρματος. Σήμερα υπάρχουν τέτοια εμπορικά διαθέσιμα όργανα αλλά δεν έχει επιτευχθεί η ευρεία υιοθέτηση τους, λόγω της ανάγκης για συχνή βαθμονόμηση, ενώ υπάρχει και η πιθανότητα μόλυνσης του ασθενούς.
Για την αντιμετώπιση αυτών των μειονεκτημάτων, την τελευταία δεκαετία αναπτύσσονται φορετοί μη-επεμβατικοί αισθητήρες γλυκόζης. Αυτοί έχουν τη μορφή βραχιολιού ή αυτοκόλλητης ταινίας και ενσωματώνουν ηλεκτρονικές διατάξεις ελέγχου και ασύρματης μετάδοσης δεδομένων. Η μέτρηση της γλυκόζη με φορετούς αισθητήρες γίνεται στο μεσοκυττάριο υγρό του δέρματος και στον ιδρώτα καθώς η συγκέντρωση γλυκόζης στον ιδρώτα είναι το 1/100 της συγκέντρωσής της στο αίμα. Ωστόσο οι φορετοί αισθητήρες γλυκόζης δεν έχουν αξιοποιηθεί ακόμα εμπορικά.
Η τρισδιάστατη εκτύπωση (3D-printing) βασίζεται στη σχεδίαση αντικειμένου μέσω λογισμικού και στην εκτύπωση μέσω ειδικού εκτυπωτή που θερμαίνει θερμοπλαστικά υλικά και τα εξωθεί σε πλατφόρμα όπου στερεοποιούνται και σχηματίζουν το αντικείμενο. Πρόσφατα ξεκίνησαν δημοσιεύσεις εφαρμογής της 3D-printing στο πεδίο των ηλεκτρονικών, ενώ η εισαγωγή της στην παραγωγή ηλεκτροχημικών αισθητήρων παρέχει πολλά πλεονεκτημάτων, όπως χρήση φορητού εξοπλισμού, ευελιξία στο σχεδιασμό, υψηλή ταχύτητα κατασκευής, χρήση φθηνών υλικών, υψηλή ομοιομορφία σε κάθε παρτίδα, δεν παράγει απόβλητα, μεταφορά αισθητήρων μέσω e-mail και η εκτύπωσή τους σε οποιοδήποτε εκτυπωτή. Προς το παρόν, δεν έχουν αναφερθεί 3D εκτυπωμένοι αισθητήρες τροποποιημένοι με Μεταλλο-Οργανικές Κατασκευές (MOFs).
Οι MOFs είναι πορώδη κρυσταλλικά πολυδιάστατα πολυμερή σύμπλοκα και αποτελούνται από μεταλλικά ιόντα ή πλειάδες αυτών και οργανικούς πολυτοπικούς υποκαταστάτες. Η μεταβατική φύση των MOFs επιτρέπει τη μεταβολή των ιδιοτήτων τους, είτε επιλέγοντας τις κατάλληλες δομικές ομάδες εξ αρχής είτε τροποποιώντας εκ των υστέρων ορισμένα δομικά χαρακτηριστικά. Ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι MOFs που είναι σταθερές στο νερό και είναι ιδανικές για εφαρμογές σε περιβάλλοντα υγρασίας και υδατικά διαλύματα. Τελευταία, έχουν δημοσιευθεί 22 εργασίες σχετικές με ανίχνευση γλυκόζης που βασίζονται σε ηλεκτρόδια τροποποιημένα με MOFs. Σε αυτές, οι MOFs καλύπτουν την επιφάνεια του ηλεκτροδίου, ροφώντας τη γλυκόζη από το διάλυμα διευκολύνοντας έτσι την ηλεκτροχημική της οξείδωση προς γλυκολακτόνη. Τα τελευταία χρόνια, οι ομάδες μας έχουν αναπτύξει νέες MOFs που βασίζονται σε οξαλαμιδικούς υποκαταστάτες. Η παρουσία των αμιδίων στο σκελετό των υποκαταστατών επιβάλει στις MOFs δομική ακαμψία, υψηλή θερμική σταθερότητα και μη-διαλυτότητα στο νερό. Επίσης, οι MOFs αυτές έχουν χρησιμοποιηθεί από εμάς ως ενεργές ουσίες για την ανάπτυξη ηλεκτροδίων με σκοπό την ανίχνευση βαρέων μετάλλων σε υδατικά διαλύματα.
Στην πρόταση εστιάζουμε στην ανάπτυξη νέων MOFs που θα βασίζονται σε αμιδικούς υποκαταστάτες οι οποίες θα είναι σταθερές στο νερό με σκοπό την εκλεκτική ρόφηση γλυκόζης από υδατικά διαλύματα και τεχνητό ιδρώτα. Τα νέα MOFs θα ενσωματωθούν σε 3D-printed φορετούς αισθητήρες για την συνεχή παρακολούθηση του επιπέδου γλυκόζης σε πραγματικό χρόνο.
Η εργασία υλοποιήθηκε στο πλαίσιο της Δράσης ΕΡΕΥΝΩ – ΔΗΜΙΟΥΡΓΩ – ΚΑΙΝΟΤΟΜΩ συγχρηματοδοτήθηκε από το Ευρωπαϊκό Ταμείο Περιφερειακής Ανάπτυξης (ΕΤΠΑ) της Ευρωπαϊκής Ένωσης και εθνικούς πόρους μέσω του Ε.Π. Ανταγωνιστικότητα, Επιχειρηματικότητα & Καινοτομία (ΕΠΑνΕΚ) (κωδικός έργου:Τ2ΕΔΚ-00028).
Αποτελέσματα
Από το έργο αυτό προέκυψαν οι παρακάτω τέσσερις δημοσιεύσεις σε επιστημονικά περιοδικά.
- Koukouviti, E., Plessas, A. K., Pagkali, V., Economou, A., Papaefstathiou, G. S., & Kokkinos, C. "3D-printed electrochemical glucose device with integrated Fe(II)-MOF nanozyme." Microchimica Acta, 2023, 190(7), 1-9.
Article - Oikonomopoulos, P., Pagkali, V., Kritikou, E., Panara, A., Kostakis, M. G., Thomaidis, N.S., Tziotzi, T. G., Economou, A., Kokkinos, C. & Papaefstathiou, G. S. "Oxalamide Based Fe(II)-MOFs as Potential Electrode Modifiers for Glucose Detection" Chemistry, 2023, 5(1), 19-30.
Article - Koukouviti, E., Plessas, A. K., Economou, A., Thomaidis, N., Papaefstathiou, G. S. & Kokkinos, C. "3D Printed Voltammetric Sensor Modified with an Fe(III)-Cluster for the Enzyme-Free Determination of Glucose in Sweat" Biosensors, 2022, 12(12), 1156.
Article - Vasiliou, F., Plessas, A. K., Economou, A., Thomaidis, N., Papaefstathiou, G. S. & Kokkinos, C. "Graphite paste sensor modified with a Cu(II)-complex for the enzyme-free simultaneous voltammetric determination of glucose and uric acid in sweat." J. Electroanal. Chem. 2022, 917, 116393.
Article
Abstract
Estimation of glucose (GLU) levels in the human organism is very important in the diagnosis and monitoring of diabetes. Scientific advances in nanomaterials have led to the construction of new generations of enzymatic-free GLU sensors. In this work, an innovative 3D-printed device modified with a water-stable and non-toxic metal–organic framework of iron (Fe(II)-MOF), which serves as a nanozyme, has been developed for the voltammetric determination of GLU in artificial sweat. In contrast to existing MOF-based GLU sensors which exhibit electrocatalytic activity for the oxidation of GLU in alkaline media, the nanozyme Fe(II)-MOF/3D-printed device can operate in the acidic epidermal sweat environment. The enzymatic-free GLU sensor is composed of a 3-electrode 3D-printed device with the MOF nanozyme immobilized on the surface of the working electrode. GLU sensing is conducted by differential pulse voltammetry without interference from other co-existing metabolites in artificial sweat. The response is based on the oxidation of glucose to gluconolactone, induced by the redox activity of the Fe-centers of the MOF. GLU gives rise to an easily detectable and well-defined voltammetric peak at about − 1.2 V and the limit of detection is 17.6 μmol L-1. The synergy of a nanozyme with 3D printing technology results in an advanced, sensitive, and low-cost sensor, paving the way for on-skin applications.
Abstract
In an attempt to expand the coordination chemistry of N,N’-bis(2,4-dicarboxyphenyl)-oxalamide (H6L) ligand, we isolated and structurally characterized two new Fe(II) Metal-Organic Frameworks (MOFs), namely [Fe2(H2L)(H2O)5] (3D-Fe-MOF) and [Fe(H4L)(H2O)2]∙2H2O, (2D-Fe-MOF) by carefully adjusting the reaction conditions to achieve the optimal degree of deprotonation of the bridging ligand. Both MOFs were found stable in water, as evidenced by powder X-ray diffraction data and their ability to sorb glucose (GLU) from either an aqueous solution or artificial sweat was investigated only to show negligible sorption. Α graphite paste sensor (GPE) using the 3D-Fe-MOF as a modifier was fabricated. Τhe 3D-Fe-MOF modified GPE was assessed for non-enzymatic GLU detection in aqueous solution at pH 6 via differential pulse voltammetry and the preliminary results were discussed.
Abstract
In this work, a 3D printed sensor modified with a water-stable complex of Fe(III) basic benzoate is presented for the voltammetric detection of glucose (GLU) in acidic epidermal skin conditions. The GLU sensor was produced by the drop-casting of Fe(III)-cluster ethanolic mixture on the surface of a 3D printed electrode fabricated by a carbon black loaded polylactic acid filament. The oxidation of GLU was electrocatalyzed by Fe(III), which was electrochemically generated in-situ by the Fe(III)-cluster precursor. The GLU determination was carried out by differential pulse voltammetry without the interference from common electroactive metabolites presented in sweat (such as urea, uric acid, and lactic acid), offering a limit of detection of 4.3 μmol L−1. The exceptional electrochemical performance of [Fe3O(PhCO2)6(H2O)3]∙PhCO2 combined with 3D printing technology forms an innovative and low-cost enzyme-free sensor suitable for noninvasive applications, opening the way for integrated 3D printed wearable biodevices.
Abstract
In this work, a new type of graphite paste electrode (GPE) modified with a water-stable Cu(II)-complex is described as new candidate for the voltammetric determination of glucose (GLU) and uric acid (UA) in sweat. The oxidation of CLU and UA was electrocatalyzed by Cu(II) which was electrochemically generated in-situ from the Cu(II)-complex precursor. Three in-house synthesized water-insoluble Cu(II)-complexes {[Cu(PhCOO)(H2O)2]∙PhCOO·H2O}n, [Cu(Et-saoH)2] and [Cu(Me-saoH)2] (where, Et-saoH2: 2-hydroxypropiophenone oxime, Me-saoH2: 2-hydroxyethanone oxime) were synthesized and compared with conventional copper oxides (CuO and Cu2O) as electrode modifiers for the voltammetric detection of GLU and UA in acidic media. The {[Cu(PhCOO)(H2O)2]∙PhCOO·H2O}n exhibited the most favorable electrochemical performance and the determination of both biomarkers was carried out without interference from common electroactive metabolites presented in artificial sweat, offering low limits of detection (5 μmol L−1 GLU and 4.6 μmol L−1 UA). The results confirm that {[Cu(PhCOO)(H2O)2]∙PhCOO·H2O}n-modified GPE is a promising non-enzymatic sensor for the simultaneous determination of GLU and UA in sweat.