3DGLUCOMOFSENS

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.

 1) 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. https://doi.org/10.1007/s00604-023-05860-6

2) 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. https://doi.org/10.3390/chemistry5010002

3) 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. https://doi.org/10.3390/bios12121156

4) 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. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2022.116393