Τρισδιάστατα εκτυπωµένοι φορετοί αισθητήρες βασισµένοι σε Μεταλλο-Οργανικές Κατασκευές για τον ηλεκτροχηµικό προσδιορισµό γλυκόζης σε ιδρώτα

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).

3D-printed Wearable sensors based on Metal-Organic Frameworks for the electrochemical sweat glucose monitoring

The main objective of this proposal is the fabrication of 3D-printed wearable electrochemical sensors (ring type) suitable for glucose determination in human sweat. Diabetes is one of the most serious disease and it is considered as a major mortality factor. The frequent measurement of glucose in blood is necessary in order the appropriate treatment and nutrition to be establish. The research effort has led to the development and commercialization of portable glucose meters, which integrate electrodes with immobilized enzyme (glucose oxidase) that catalyzes glucose oxidation. However, their use requires the sampling of patient’s blood which is painful while the frequent sampling is avoided.

Alternative glucose monitoring technology provides real-time monitoring. These systems are based on subcutaneous implantation of enzyme sensors that measure the glucose level in the intracellular fluid of the skin. Today, there are such commercially available systems, but their wide acceptance is restricted due to the need for frequent calibration and the possibility of patient’s infection.

These disadvantages can be addressed by non-invasive methods. The last decade, the development of wearable sensors has gained widespread research interest. These sensors are in the form of a bracelet or adhesive tape and they are integrated in electronic devices with wireless data transmission. The measurement of glucose by wearable sensors is carried out in the intercellular fluid of the skin and in sweat. In sweat the glucose level is about 1/100 of this in blood. However, the glucose wearable sensors have not yet been exploited commercially.

3D-printing is based on a CAD design of the desired 3D virtual object followed by formation of the actual object by the operation of one printer, which heats the thermoplastic-based materials to a semi-molten state before extrusion and solidification. Recently, 3D-printing have been applied in the field of electronics, and its introduction to fabrication of electrochemical sensors offers many advantages, as it: uses low-cost desktop-sized equipment, provides flexibility in the design, involves extremely low capital, operational and materials costs, offers high flexibility in the choice of materials, leads to batch-to batch precision and uniformity, does not produce waste, ensures full design transferability between 3D platforms. Up to now, 3D printed sensors modified with Metal Organic Frameworks (MOFs) have not been reported in the literature.

MOFs are porous crystalline multidimensional polymeric complexes and consist of metal ions or clusters and of organic polytopic bridging ligands. The modular nature of MOFs allows the fine-tuning of their properties either by selecting the appropriate building groups or by modifying some structural features after their synthesis (post-synthetic modifications). Of particular interest are MOFs that are water stable and suitable for applications in humid environments and water solutions. There are 22 papers in the literature reporting modified electrodes by MOFs for glucose detection. In these papers, MOFs cover the surface of the electrode sorbing the glucose from the solution thereby facilitating its electrochemical oxidation to glycolactate. Recently, our groups have developed new MOFs based on oxalamide ligands. The presence of amides in the backbone of the polytopic ligands imposes on MOFs structural rigidity, high thermal stability (> 400 ° C) and water stability-insolubility. Also, these MOFs have been used by our group as active ingredients for the fabrication of electrodes to detect heavy metal ions in water samples.

This proposal focuses on the development of novel MOFs based on amide bridging ligands that will be stable in water to selectively saturate glucose from aqueous solutions and artificial sweat. The novel MOFs will be integrated in 3D-printed sensors. These sensors will be embodied into wearable devices for real-time monitoring of glucose levels.