Scopul principal al acestui proiect este dezvoltarea membranelor cu ionofor încorporat cu aplicații în dispozitive bio-analitice pentru detecția electrochimică a electroliților biomarkeri în transpirație dar și în alte medii biologice precum ser sau culturi celulare.
Accentul este pus pe detecția ionilor de sodiu, potasiu și clor. Pentru atingerea acestui obiectiv sunt avute în vedere următoarele obiective:
O1: Sinteza membranei și încorporarea ionoforilor.  Se vor sintetiza membrane bilipidice, hidrogeluri și lipozomi și se va investiga încorporarea ionoforilor.
O2: Imobilizarea membranei cu ionofor încorporat la suprafața electrodului.  Interacțiunea membranei cu suprafața solidă poate duce la modificări conformațional-structurale și găsirea condițiilor optime este relevantă pentru obținerea celei mai bune sensibilități și a celei mai mici limită de detecție. Performanța senzorului va fi investigată în transpirație artificială, dar și pe un model biologic conceput pentru a detecta răspunsuri scurte și tranzitorii la senzor.

Director Proiect: Dr. Anca Aldea (U-1800-055N-8239)
https://www.brainmap.ro/anca-aldea

Mentor Proiect: Prof. Ileana Cornelia Farcasanu (U-1700-033C-8247)
https://www.brainmap.ro/ileana-cornelia-farcasanu

În a doua etapă a Proiectului PD67 obiectivul principal a fost testarea dispozitivelor obținute în vederea detecției și cuantificării ionilor de sodiu, potasiu și clor, precum și determinarea caracteristicilor senzorilor. În această etapă s-au continuat și activitățile de obținere a electrozilor din fibre polimerice electrofilate din policaprolactonă și din plachete de siliciu/dioxid de siliciu metalizate cu aur, sinteza membranelor, încorporarea ionoforului în membranele sintetizate, imobilizarea membranelor cu ionofor încorporat pe suprafața electrozilor.

Pe scurt, s-au obținut fibre polimerice electrofilate din policaprolactonă ce au fost acoperite cu un strat de aur și electrozi obținuți pe plachete de siliciu/dioxid de siliciu metalizate cu un strat intermediar de titan și aur. Au fost sintetizate 3 tipuri de membrane: membrană lipidică, hidrogel și lipozomi. Încorporarea ionoforului a fost realizată atât înaintea cât și după sinteza membranelor. În vederea caracterizării suprafețelor obținute acestea au fost analizate electrochimic (voltametrie ciclică), morfologic (microscopie electronică de baleiaj) și structural (spectroscopie infra-roșu). Senzorii obținuți în urma imobilizării membranelor cu ionofor încorporat pe suprafață au fost testați în vederea detecției și cuantificării ionilor de sodiu, potasiu și clor. Au fost efectuate și teste de biocompatibilitate prin utilizarea acestora ca substrat pentru proliferarea culturilor celulare.

În urma desfășurării acestor activități s-a realizat o îndeplinire de 100% a obiectivului 1 (O1: Sinteza membranei și încorporarea ionoforilor) și 75% a obiectivului 2 (O2: Imobilizarea membranei cu ionofor înglobat pe suprafața electrodului).  S-au sintetizat membrane bilipidice, hidrogeluri și lipozomi și metoda de încorporare a ionoforilor a fost optimizată, s-au obținut și caracterizat suprafețe de aur modificate cu diferite membrane și ionofori, s-a optimizat metoda imobilizării membranelor la suprafața electrozilor și senzorii au fost testați în vederea stabilirii răspunsului acestora la ioni specifici ionoforilor încorporați.

Pe baza studiilor, testelor și caracterizărilor efectuate a fost îndeplinit scopul proiectului de a construi un senzor pe bază de ionofor încorporat în membrană pentru detecția de ioni din fluide.

Ca substraturi s-a demonstrat că pot fi utilizate atât substraturi plane (SiO₂/Si) cât și substraturi flexibile precum fibrele polimerice obținute din policaprolactonă, deși limitele de detecție au fost mai scăzute pentru substraturile planare, diferența nu a fost atât de semnificativă, valorile fiind de același ordin de mărime.

Membrana optimă pentru construcția acestui senzor s-a dovedit a fi membrana obținută din imobilizarea lipozomilor pe suprafața electrodului. Aceasta a fost obținută pornind de la precursorii lipidici 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPPC) și a 1-oleoyl-2-stearoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (OSPC). Raportul optim, pentru încorporarea ionoforilor, dintre cele două lipide a fost de 1:1 și de asemenea, achiziționarea lipidelor dizolvate în cloroform (nu pulbere), a dus la o mai buna eficiență a sintezei dar și la soluții de vezicule al căror indice de polidispersie a fost mic, obținându-se vezicule de lipozomi cu ionofor încorporat cu diametre cuprinse preponderent intre 100 și 200 nm.

Cei mai eficienți ionofori din cei testați pentru detecția ionilor de sodiu, potasiu și clor s-au dovedit a fi ionoforul de sodiu X, ionoforul de potasiu I și ionoforul de clor II.

Prin studiile de citotoxicitate (MTS) și biocompatibilitate (fluorescență) s-a demonstrat că senzorul dezvoltat permite însămânțarea și proliferarea celulelor pe suprafețele modificate cu membrane cu ionofor încorporat. Pentru utilizarea acestor senzori in vivo vor fi necesare teste suplimentare înaintea utilizării acestora în contact direct cu pielea.

12th APMAS 2022 International Advances in Applied Physics & Materials Science Congress & Exhibition, Mugla, Turcia, 2022 (Etapa:1)

74th Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry, Lyon, Franta, 2023 (Etapa:2)

13th APMAS 2022 International Advances in Applied Physics & Materials Science Congress & Exhibition, Mugla, Turcia, 2023 (Etapa:2)

A/00737/25.11.2024 - “Dispozitive electrochimice pe bază de ionofori și lipozomi pentru detecția ionilor de sodiu, potasiu și clor” 

Anca Aldea, Victor C. Diculescu

Anca ALDEA (DIBLĂ)

National Institute of Materials Physics

Laboratory of Multifunctional Materials and Structures

405A Atomistilor Street

077125, Magurele, Romania

E-mail: anca.aldea@infim.ro

Mobile: +40735157040