Vývoj chytrých potenciometrických senzorů potažených vrstvami odolnými biopasivaci pro detekci raného stádia zánětlivých procesů kolem kloubních náhrad

0573844 - ÚMCH 2024 RIV CZ cze J - Journal Article
Ivanko, Iryna - Tomšík, Elena - Hrubý, Martin
Vývoj chytrých potenciometrických senzorů potažených vrstvami odolnými biopasivaci pro detekci raného stádia zánětlivých procesů kolem kloubních náhrad.
[Development of smart potentiometric sensors covered with non-biofouling layer for detection of early stages of inflammatory processes around joint replacements.]
Chemické listy. Roč. 117, č. 7 (2023), s. 425-432. ISSN 0009-2770. E-ISSN 1213-7103
R&D Projects: GA MZd(CZ) NU20-06-00424; GA ČR(CZ) GA21-01090S
Grant - others:AV ČR(CZ) StrategieAV21/26
Program: StrategieAV
Institutional support: RVO:61389013
Keywords : potentiometric sensor * nonbiofouling * orthopedic implants
OECD category: Polymer science
Impact factor: 0.6, year: 2022
Method of publishing: Open access
http://www.chemicke-listy.cz/ojs3/index.php/chemicke-listy/article/view/4280

Jedním z problémů při kloubních náhradách jsou komplikace spojené s pooperačními infekcemi. Infekce způsobené bakteri-emi, které tvoří biofilmy na površích, se nazývají infekce související s biofilmem (biofilm related infections, BRI). V důsledku následné biologické odezvy organismu dochází k silným patofyziologickým změnám v mikroklimatu kolem takto postiženého povrchu (pokles pH, tvorba různých reaktivních forem kyslíku (ROS), vyčerpání iontů železa a zvýšení koncentrace vápenatých iontů). Vytvořili jsme robustní selektivní polymerní potenciometrický senzor ROS a pH senzor pro detekci změn způsobených sterilním zánětem a bakteriálními a plísňovými infekcemi. Senzor ROS se skládá z vodivé polymerní vrstvy na bázi polythiofenu se zabudovaným komplexem porfyrin-kov, který potenciometricky deteguje přítomnost ROS, jak bylo demonstrováno na peroxi-du vodíku. Tento senzor je kovalentně potažen vrstvou odolnou biopasivaci (non-biofouling layer, NBL) tvořenou poly(2-methyl- -2-oxazolin)em, která funguje jako biokompatibilizátor. Bylo prokázáno, že potenciometrický senzor vykazuje rychlou odezvu na peroxid vodíku, nezaznamenává interferenci s hovězím sérovým albuminem jako modelovým sérovým proteinem a je schopen plně reverzibilně detegovat ROS s lineární odezvou v širokém rozsahu biologicky relevantních koncentrací (od 0,05 μM do 10 μM). Polymerní pH senzor na bázi polyanilinu a poly(2-methyl-2-oxazolinu) na nosiči z titanové slitiny byl vyvinut pro po-tenciometrickou detekci změn pH v okolí implantátu, aby bylo možné včas detegovat výše uvedené záněty. Vyvinuté elektrody měří změnu pH v rozsahu pH 5 až 8, tedy v rozmezí relevantním pro jednotlivé infekce baktériemi a kvasinkami.

One of the problems occurring after the joint replace-ment is connected with the post-surgery infections which are caused by bacteria that form biofilms on surfaces and are referred to as biofilm-related infections (BRI). It is also worth noting that due to the bioresponse, strong path-ophysiological changes in the microclimate of an affected surface occur (decrease in pH, formation of various reac-tive oxygen species (ROS), depletion of Fe ions, and in-crease in the concentration of Ca ions). In this work we have prepared a robust selective potentiometric sensor of ROS and pH sensor for the detection of pH changes caused by sterile inflammation and bacterial and fungal infections. The ROS sensor consists of a conductive poly-mer layer based on polythiophene with an incorporated porphyrin-metal complex that potentiometrically detects the presence of ROS (H2O2 and ClO– ions). This sensor is connected by the covalent bonds with a non-biofouling layer of poly(2-methyl-2-oxazoline), which works as a bio-compa-tibilizer. It was shown that the potentiometric sen-sor shows a rapid response to hydrogen peroxide, does not record any interference with bovine serum albumin as a model serum protein, and is able to fully reversibly de-tect ROS with a linear response within a wide range of biological relevant concentrations (from 0.05 μM to 10 μM). The sensing electrode based on polyaniline and poly(2-methyl-2-oxazoline) on a titanium alloy support was developed for the potentiometric detection of peri-implant pH changes to enable early detection of the afore-mentioned pathologies. The developed electrodes show the changing of pH in the range between 5 and 8 for the individual pathogenic bacteria or pathogenic yeast, with a Nernstian slope of −59.6/pH.
Permanent Link: https://hdl.handle.net/11104/0344914