Development of conducting materials as electrodes for biomedical sensors

Abstract

(English) The cost of healthcare is an increasing concern worldwide, driven by the emergence of new diseases as well as the progression of lifestyle-related conditions. For this reason, expenditure on healthcare-related research is expected to rise over the next decade. One of the main lines of research is biosensors, which have shown great potential in improving patient care, as demonstrated by the success of sensors such as glucometers. Biosensors can aid not only in disease detection but also in the regular monitoring of a patient’s status. In this work, new materials based on conducting polymers and carbon quantum dots were developed for use as electrodes in various biosensors. The work is divided into four different parts, each focusing on a different material and application. In the first part, a thin film electrode was developed based on the carbon quantum dot doping of PEDOT, which was synthesized via electropolymerization. Doping quantity optimization and as well as chemical and morphological characterizations were performed on the films. The films were then deposited on substrate and on an organic electrochemical transistor for the electrochemical detection of dopamine. In the second part, carbon quantum dots were used in an immunosensor. The carbon quantum dots were first immobilized on the surface of a carbon electrode to enhance electroconductivity then functionalized with antibodies to obtain a highly selective sensor. Electrochemical and chemical characterizations were performed for each subsequent layer. Finally, the resulting immunosensor was tested against the D-dimer antigen via electrochemical impedance spectroscopy. The third and fourth parts focus on conducting polymer hydrogel, wherein the main hydrogel matrix was mixed with the conducting polymer, PEDOT:PSS, along with other additives. In the third part, the main hydrogel used was PVA modified with tannic acid for strength and carbon quantum dot for electroactivity enhancement; while the fourth part is a GelMA-based hydrogel modified with alginate. In both works, optimization of the additive amounts was performed and as well as the investigation of the individual and synergistic effects of the components on various characteristics such as mechanical and electrochemical properties. Finally, the PVA-based hydrogel was used as a pressure sensor, while the GelMA-based hydrogel was employed as a 3D cell culture platform for an impedance-based cell monitoring system. Overall, this PhD work demonstrated the application of various techniques and materials in the development of novel conductive biomaterials for biomedical sensors. These innovative materials could serve as a foundation for next-generation biosensors, with the potential to enhance patient care and quality of life.

(Català) El cost de l’atenció sanitària és una preocupació creixent arreu del món, impulsada tant per l'aparició de noves malalties com per la progressió de patologies relacionades amb l'estil de vida. Per aquest motiu, s'espera que la despesa en investigació relacionada amb la salut augmenti durant la pròxima dècada. Una de les principals línies d'investigació són els biosensors, que han demostrat un gran potencial per millorar l'atenció als pacients, com ho demostra l'èxit de sensors com els glucòmetres. Els biosensors poden ajudar no només en la detecció de malalties, sinó també en el seguiment regular de l'estat dels pacients. En aquest treball es van desenvolupar nous materials basats en polímers conductors i punts quàntics de carboni per utilitzar com a elèctrodes en diversos biosensors. El treball es divideix en quatre parts diferents, cadascuna centrada en un material i aplicació diferents. En la primera part, es va desenvolupar un elèctrode de pel·lícula fina basat en la dopació de PEDOT amb punts quàntics de carboni, sintetitzat mitjançant electropolimerització. Es van dur a terme optimitzacions de la quantitat de dopatge, així com caracteritzacions químiques i morfològiques de les pel·lícules. Posteriorment, les pel·lícules es van depositar sobre un substrat i sobre un transistor orgànic electroquímic per a la detecció electroquímica de dopamina. En la segona part, els punts quàntics de carboni es van utilitzar en un immunosensor. Primer es van immobilitzar a la superfície d'un elèctrode de carboni per millorar-ne l'electroconductivitat i després es van funcionalitzar amb anticossos per obtenir un sensor altament selectiu. Es van realitzar caracteritzacions electroquímiques i químiques per a cada capa successiva. Finalment, l'immunosensor resultant es va provar contra l'antigen D-dímer mitjançant espectroscòpia d'impedància electroquímica. La tercera i quarta parts se centren en hidrogels de polímers conductors, on la matriu principal de l'hidrogel es va barrejar amb el polímer conductor PEDOT:PSS, juntament amb altres additius. En la tercera part, l'hidrogel principal utilitzat va ser PVA modificat amb àcid tànnic per augmentar-ne la resistència i amb punts quàntics de carboni per millorar-ne l'electroactivitat; mentre que en la quarta part es va utilitzar un hidrogel a base de GelMA modificat amb alginat. En ambdós treballs es va dur a terme l'optimització de les quantitats d'additius, així com l'estudi dels efectes individuals i sinèrgics dels components en diverses característiques, com les propietats mecàniques i electroquímiques. Finalment, l'hidrogel basat en PVA es va utilitzar com a sensor de pressió, mentre que l'hidrogel basat en GelMA es va emprar com a plataforma de cultiu cel·lular 3D per a un sistema de monitoratge cel·lular basat en impedància. En conjunt, aquesta tesi doctoral demostra l'aplicació de diverses tècniques i materials en el desenvolupament de nous biomaterials conductors per a sensors biomèdics. Aquests materials innovadors podrien servir com a base per als biosensors de pròxima generació, amb el potencial de millorar l'atenció als pacients i la qualitat de vida.

(Español) El coste de la atención sanitaria es una preocupación creciente a nivel mundial, impulsada tanto por la aparición de nuevas enfermedades como por la progresión de patologías relacionadas con el estilo de vida. Por esta razón, se espera que el gasto en investigación relacionada con la salud aumente durante la próxima década. Una de las principales líneas de investigación son los biosensores, que han mostrado un gran potencial para mejorar la atención al paciente, como demuestra el éxito de sensores como los glucómetros. Los biosensores pueden contribuir no solo a la detección de enfermedades, sino también al seguimiento regular del estado de los pacientes. En este trabajo se desarrollaron nuevos materiales basados en polímeros conductores y puntos cuánticos de carbono para su uso como electrodos en diversos biosensores. El trabajo se divide en cuatro partes diferentes, cada una enfocada en un material y aplicación distintos. En la primera parte, se desarrolló un electrodo de película delgada basado en la dopación de PEDOT con puntos cuánticos de carbono, sintetizado mediante electropolimerización. Se realizaron optimizaciones de la cantidad de dopaje, así como caracterizaciones químicas y morfológicas de las películas. Posteriormente, las películas se depositaron sobre un sustrato y sobre un transistor orgánico electroquímico para la detección electroquímica de dopamina. En la segunda parte, los puntos cuánticos de carbono se utilizaron en un inmunosensor. Primero se inmovilizaron en la superficie de un electrodo de carbono para mejorar su electroconductividad y luego se funcionalizaron con anticuerpos para obtener un sensor altamente selectivo. Se realizaron caracterizaciones electroquímicas y químicas en cada capa sucesiva. Finalmente, el inmunosensor resultante se probó frente al antígeno D-dímero mediante espectroscopía de impedancia electroquímica. La tercera y cuarta parte se centran en hidrogeles de polímeros conductores, donde la matriz principal del hidrogel se mezcló con el polímero conductor PEDOT:PSS, junto con otros aditivos. En la tercera parte, el hidrogel principal utilizado fue PVA modificado con ácido tánico para aumentar su resistencia y con puntos cuánticos de carbono para mejorar su electroactividad; mientras que en la cuarta parte se empleó un hidrogel a base de GelMA modificado con alginato. En ambos trabajos se llevó a cabo la optimización de las cantidades de aditivos, así como el estudio de los efectos individuales y sinérgicos de los componentes en diversas características, como las propiedades mecánicas y electroquímicas. Finalmente, el hidrogel basado en PVA se utilizó como sensor de presión, mientras que el hidrogel basado en GelMA se empleó como plataforma de cultivo celular 3D para un sistema de monitorización celular basado en impedancia. En conjunto, esta tesis doctoral demuestra la aplicación de diversas técnicas y materiales en el desarrollo de nuevos biomateriales conductores para sensores biomédicos. Estos materiales innovadores podrían servir como base para biosensores de próxima generación, con el potencial de mejorar la atención al paciente y la calidad de vida.