Ανάπτυξη και εφαρμογές τρισδιάστατα εκτυπωμένων ηλεκτροχημικών βιοαισθητήρων

Abstract

In this PhD thesis, the development of low-cost, portable electrochemical (bio)sensors was carried out, utilizing the innovative technology of 3D printing. The fabricated sensors were applied for the detection and quantification of biomarkers, as well as heavy metals, related to both clinical and environmental monitoring and food safety. In particular, 3D printed electrochemical (bio)sensors for the determination of five biomarkers (glucose, ethanol, lactic acid, uric acid and caffeine) in human sweat, were fabricated with the prospect of integrating them into a wearable multiplex sensor in the form of a bracelet for smart watches. Furthermore, two 4-electrode biochips were designed and produced through a single-step 3D printing process: one for the simultaneous enzymatic determination of two cardiac biomarkers (choline and cholesterol) in blood, and one for the simultaneous enzymatic determination of two wine quality markers (glucose and ethanol). In addition, a sensor and an integrated microdevice for the non-enzymatic voltammetric determination of glucose in sweat was developed using non-toxic biomimetic materials. These materials were: the basic Fe(III) benzoate complex and a Fe(II) metal-organic framework. Finally, the synthesis of a novel lab-made flexible and conductive filament with integrated two different types of metallic nanoparticles (Bi2O3 and CuO) was producedfor the 3D printing of ready-to-use, multiplexed electrochemical sensors. The 3D printed sensors were used for the direct, selective and sensitive determination of two heavy metals (Pb and Cd), quantified voltammetrically through alloy formation with Bi nanoparticles produced from Bi2O3, and two biomarkers (glucose and uric acid), determined in enzymatic-free modes. The determination of glucose took advantage of the electrocatalytic properties of CuO, while uric acid was directly oxidized on the sensor.

Στη συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή πραγματοποιήθηκε η ανάπτυξη χαμηλού κόστους φορητών ηλεκτροχημικών (βιο)αισθητήρων, αξιοποιώντας την καινοτόμο τεχνολογία της τρισδιάστατης εκτύπωσης. Οι αισθητήρες που κατασκευάστηκαν εφαρμόστηκαν για την ανίχνευση και τον ποσοτικό προσδιορισμό βιοδεικτών, καθώς και βαρέων μετάλλων, που σχετίζονται τόσο με τον κλινικό και περιβαλλοντικό έλεγχο όσο και με την ασφάλεια των τροφίμων. Συγκεκριμένα, κατασκευάστηκαν τρισδιάστατα εκτυπωμένοι ηλεκτροχημικοί (βιο)αισθητήρες για τον προσδιορισμό πέντε βιοδεικτών (γλυκόζη, αιθανόλη, γαλακτικό οξύ, ουρικό οξύ και καφεΐνη) στον ανθρώπινο ιδρώτα, με την προοπτική ενσωμάτωσής τους σε έναν φορητό πολυπλεξικό αισθητήρα με τη μορφή βραχιολιούγια έξυπνα ρολόγια (smart watches). Ακόμη, σχεδιάστηκαν και δημιουργήθηκαν δύο ολοκληρωμένες βιοδιατάξεις 4-ηλεκτροδίων, μέσω μιας διαδικασίας τρισδιάστατης εκτύπωσης ενός βήματος: μία για τον ταυτόχρονο ενζυματικό προσδιορισμό δύο καρδιακών βιοδεικτών (χολίνη και χοληστερόλη) στο αίμα, και μία για τον ταυτόχρονο ενζυματικό προσδιορισμό δύο δεικτών ποιότητας του οίνου (γλυκόζης και αιθανόλης). Επιπλέον, κατασκευάστηκε ένας αισθητήρας και μία ολοκληρωμένη μικροδιάταξη για τον μη ενζυματικό βολταμμετρικό προσδιορισμό της γλυκόζης στον ιδρώτα, χρησιμοποιώντας μη τοξικά και υδρόφοβα συνθετικά βιομιμητικά υλικά. Αυτά τα υλικά ήταν το βασικό βενζοϊκό σύμπλοκο Fe(III) και μία μεταλλο-οργανική κατασκευή Fe(II). Τέλος, πραγματοποιήθηκε η σύνθεση ενός νέου εύκαμπτου και αγώγιμου νήματος με ενσωματωμένους δύο διαφορετικούς τύπους μεταλλικών νανοσωματιδίων (Bi2O3 και CuO) με σκοπό την τρισδιάστατη εκτύπωση έτοιμων προς χρήση, πολυλειτουργικών ηλεκτροχημικών αισθητήρων. Οι εκτυπωμένοι αισθητήρες χρησίμευσαν για τον άμεσο, εκλεκτικό και ευαίσθητο προσδιορισμό δύο βαρέων μετάλλων (Pb και Cd), που ποσοτικοποιήθηκαν βολταμμετρικά μέσω δημιουργίας κραμάτων με τα νανοσωματίδια Bi που παράγονται από το Bi2O3, και δύο βιοδεικτών (γλυκόζη και ουρικό οξύ), οι οποίοι προσδιορίστηκαν μη ενζυματικά. Ο προσδιορισμός της γλυκόζης εκμεταλλεύτηκε τις ηλεκτροκαταλυτικές ιδιότητες του CuO, ενώ το ουρικό οξύ οξειδώθηκε απευθείας στον αισθητήρα.