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

Nové pohledy na analytickou chemii

Abstrakt

One of the problems occurring after the joint replacement 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 pathophysiological changes in the microclimate of an affected surface occur (decrease in pH, formation of various reactive oxygen species (ROS), depletion of Fe ions, and increase 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 polymer 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-compa­tibilizer. It was shown that the potentiometric sensor 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 detect 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 aforementioned 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.

Jedním z problémů při kloubních náhradách jsou komplikace spojené s pooperačními infekcemi. Infekce způsobené bakteriemi, 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 peroxidu 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 potenciometrickou 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.