ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΣΥΜΒΑΤΩΝ ΒΙΟΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ ΓΙΑ ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ - ΨΥΧΟΓΥΙΟΣ, ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ (Σχολή Χημικών Μηχανικών, 2015)
Οι τρέχουσες μέθοδοι της κλινικής διαγνωστικής με συνιστώσα την άντληση πληροφοριών από το βιοχημικό προφίλ του ασθενούς, στηρίζονται κατά βάση σε κλασικές μεθόδους ποσοτικής μέτρησης βιοχημικών δεικτών. Από την άλλη πλευρά η αναγνώριση ιογενών νόσων, η παρακολούθηση της βακτηριακής δραστηριότητας βακτηρίων ή η κατάδειξη νοσογόνων καταστάσεων απαιτεί πολύ εξειδικευμένα εργστήρια, στις περισσότερες των περιπτώσεων, γεγονός που αυξάνει τό κόστος, αλλά κάνει και δύσκολη την πρόσβαση. Τα δεδομένα αυτά σχεδόν καθιστούν αδύνατη την πρόσβαση απομεμακρυσμένων πληθυσμών σε υγεινομικές υπηρεσίες υψηλού βαθμού. Πέραν τούτων η χειρουργική των ιστών έχει ανάγκη τόσο από τεχνητούς ιστούς που θα χρησιμοποιηθούν για επιτέλεση βιολογικών λειτουργιών αλλά και από μηχανισμούς παρακολούθησης μεταμοσχευμένων ιστών μέχρι την πλήρη ενσωμάτωση στη νέα τους θέση. Με τα μέχρι τούδε δεδομένα και οι δύο αυτές ανάγκες είναι πολύ κοστοβόρες για τις υπηρεσίες υγείας. Πρόσφατα αυξημένος αριθμός ερευνητών έχει εστιάσει στη χρησιμότητα των βιοαισθητήρων σε βιοϊατρικές εφαρμογές. Συνδυασμένοι με νανοϋλικά και νανοδομές, βιοαισθητήρες σε νανοκλίμακα μπορεί να χρησιμοποποιηθούν σε βιοϊατρικές εφαρμογές. Τέτοιου είδους εφαρμογές αποτελούν η μέτρηση βιοχημικών δεικτών στον ορό ασθενών, η παρακολούθηση της δραστηριότητας παθογόνων βακτηρίων στο σώμα, η διαπίστωση μεταβολών σε κυτταρικό επίπεδο, που δυνητικά θα μπορεί να εξελιχθεί σε ογκογενετική πλατφόρμα, η αναγνώριση ιών, η χρήση τους ως δεικτών αναγνώρισης παθογόνων νόσων κλπ. Οι συσκευές αυτές –νανοβιοαισθητήρες -καθίστανται έτσι εξαιρετικά ευέλικτα συστήματα που επιτρέπουν βιοϊατρικές αναλύσεις με ταχύτητα, άριστη εκλεκτικότητα, υψηλή ευαισθησία και υπερεκλεκτική διάγνωση. Η ‘αλληλεπίδραση’ επίσης της νανοτεχνολογίας και της βιολογίας μπορεί να λύσει πολλά βιοϊατρικά θέματα και να δώσει μία νέα διάσταση στον τομέα της υγείας και της ιατρικής. Η χρήση της νανοτεχνολογίας στην ιατρική προσφέρει εκπληκτικές δυνατότητες και δίνει νέες διαστάσεις στην κλινική διαγνωστική και θεραπεία, με μερικές από τις πιθανές χρήσεις να βρίσκονται στη σφαίρα του ιδεατού, άλλες σε διάφορα στάδια χρήσης, και άλλες σε καθημερινή χρήση. H νανοτεχνολογία στην ιατρική περιλαμβάνει εφαρμογές νανοσωματιδίων που επι της τρεχούσης είναι υποαναπτυγμένες αλλά και εφαρμογές που περιλαμβάνουν τη χρήση νανορομπότ για την επισκευή αστοχιών σε κυτταρικό επίπεδο. Όπως και να το ονομάσει κανείς η νανοτεχνολογία στο πεδίο της ιατρικής θα αναπτύξει στο εγγύς μέλλον τεχνικές και μεθόδους για την τάχιστη αναγνώριση και κατάδειξη αστοχιών σε κυτταρικό επίπεδο, που δυνητικά θα μπορούσε να καταλήξει σε νοσογόνο κατάσταση σε μάκρο επίπεδο (πχ. καρκίνος), αλλά και σε πληρέστερη και στοχευμένη θεραπεία τόσο σε κυτταρικό επίπεδο, όσο και σε επίπεδο αποκλειστικά ιστών. Η παρούσα διατριβή παρουσιάζει την κατασκευή και χρήση πρωτότυπων ποτενσιομετρικών βιοαισθητήρων με τη βοήθεια νανοϋλικών για την ανίχνευση και μέτρηση των επιπέδων χοληστερόλης και ουρικού οξέος. Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε και οι αλεπάλληλοι πειραματικού κύκλοι που έλαβαν χώρα κατά την εκπόνηση της παρούσας διαδακτορικής διατριβής, επέτρεψαν για πρώτη φορά στην στην εμβάθυνση της γνώσης για την κατασκευή ποτενσιομετρικών βιοαισθητήρων με ενσωμάτωση νανοδομών οξειδίου του ψευδαργύρου για την ταχεία ανίχνευση βιοχημικών ουσιών. Αναπτύχθηκε ένας ποτενσιομετρικός νανοβιοαισθητήρας για τον προσδιορισμό της χοληστερόλης, βασισμένος στην ενσωμάτωση της οξειδάσης της χοληστερόλης σε σταθεροποιημένα λιπιδικά φιλμ, πολυμερισμένα με υπεριώδη ακτινοβολία, χρησιμοποιώντας νανοτοιχώματα οξειδίου του ψευδαργύρου ως ηλεκτρόδιο μέτρησης. Ο αισθητήρας αυτός έδειξε πολύ καλή επαναληψιμότητα, ευαισθησία και εκλεκτικότητα, όπως επίσης και ταχεία απόκριση, με το 95% της σταθερής τάσης να αναπτύσεται σε 5sec. Επιπλέον ο βιοαισθητήρας αυτός δεν επηρεάστηκε από τη φυσιολογική συγκέντρωση του ασκορβικού οξέος, της γλυκόζης, της ουρίας, πρωτεϊνών και λιπιδίων στοιχείων που φυσιολογικά υπάρχουν στα ανθρώπινα βιολογικά υγρά. Εκτιμήθηκε επίσης η δυνατότητα του αισθητήρα να μετρήσει τα επίπεδα της χοληστερόλης σε πραγματικά δείγματα ανθρωπίνου πλάσματος, πιστοποιώντας εξαιρετικά ικανοποιητική συσχέτιση τιμών με τις συμβατικές μεθόδους μέτρησης χοληστερόλης σε βιολογικά δείγματα. Επίσης αναπτύχθηκε ένας άλλος ποτενσιομετρικός νανοβιοαισθητήρας για τον προσδιορισμό του ουρικού οξέος, Αυτός ο αισθητήρας στηρίζει τη λειτουργία του στο ένζυμο ουρικάση και την αλληλεπίδρασή του με το ουρικό οξύ. Ο αισθητήρας αυτός κατασκευάστηκε επίσης με τη χρήση σταθεροποιημένων λιπιδικών μεμβρανών σε μικροφίλτρο ινών υάλου, πολυμερισμένων με υπεριώδη ακτινοβολία και ενσωμάτωση της ουρικάσης στο λιπιδικό υμένιο πριν τον πολυμερισμό του. Το φίλτρο με το λιπιδικό υμένιο και την ουρικάση εναποτέθηκε σε ηλεκτρόδιο με νανοσύρματα οξειδίου του ψευδαργύρου, που χρησιμοποιήθηκε ως ηλεκτρόδιο μέτρησης. Ο βιοαισθητήρας αυτός έδειξε εξαιρετική επαναληψιμότητα, πολύ γρήγορη απόκριση (περίπου 6 sec), ικανοποιητική εκλεκτικότητα, δυνατότητα επαναχρησιμοποίησης, μακρά διάρκεια ζωής (τουλάχιστον 30 ημέρες σε συγκεκριμένες συνθήκες αποθήκευσης) και υψηλή ευαισθησία. Δοκιμάστηκε η απόκρισή του με παρουσία διαφόρων παρεμποδιστών (ασκορβικό οξύ, γλυκόζη, πρωτείνες, λιπίδια) και έδειξε ότι η λειτουργία του δεν επηρεάζεται, τουλάχιστον για συγκεντρώσεις που βρίσκονται σε ανθρώπινα υγρά. Το χαμηλό κόστος κατασκευής, η χρήση φθηνών υλικών, η υψηλή ευαισθησία, η βισοσυμβατότητά τους σε συνάρτηση με τα εξαιρετικά ηλεκτροχημικά χαρακτηριστικά τους δίνουν δυνατότητα για χρήση σε βιοϊατρικές εφαρμογές. Επιπλέον με βελτίωση των χαρακτηριστικών φορητότητας τους ή και βελτίωση του βιοσυμβατού προφίλ, θα μπορούσαν να γίνουν εμφυτεύσιμες συσκευές για μέτρηση σε πραγματικό χρόνο.