Autonomous diagnostic systems: design of sensors capable of recognizing and releasing biomolecules

Abstract

(English) This Ph.D. thesis delves into the realm of electrochemical biosensors, pivotal devices enabling the sensitive and timely detection of diverse biomolecules. Specifically, it explores the critical role of biosensors in biomedical applications, where the swift identification of biomarkers like Glucose (G), Dopamine (DA), Serotonin (SE), and Nicotinamide Adenine Dinucleotide (NADH) is imperative for diagnosing conditions such as diabetes, Parkinson's disease, Alzheimer's disease, and emerging infections, among other diseases. The thesis offers an in-depth examination of various biosensors engineered to target specific biomolecules, elucidating the methodologies and recent advancements pivotal in shaping device development. Noteworthy is the investigation into the influence of different materials, including conducting polymers (CPs), ceramic materials, carbon-based materials among others, on biosensor performance. Special attention is devoted to the design of intricate nanocomposites aimed at achieving heightened selectivity and sensitivity. Incorporating conducting polymers (CPs) like PEDOT into biosensors has proven successful, especially in detecting Nicotinamide Adenine Dinucleotide (NADH) from various bacteria. This enhances sensor conductivity and sensitivity, crucial for identifying bacterial activity. Notably, this thesis implements this approach in biomedical devices such as sutures and meshes, expanding biosensor applications to infection detection. On another front, the thesis highlights the success of engineering biosensors from 3D printed insulating thermoplastics for the detection of Dopamine (DA) among other biomolecules. Leveraging innovative strategies, these biosensors demonstrate remarkable selectivity and sensitivity in detecting DA, paving the way for enhanced diagnosis and monitoring of neurological disorders and other related conditions. Furthermore, the thesis explores the engineering of conductive devices based on biological materials such as Alginate hydrogels and peptides. These bio-inspired materials offer unique properties conducive to biosensor development, including biocompatibility and tunable conductivity. By harnessing the inherent characteristics of biological materials, novel biosensors with enhanced performance and functionality can be realized, opening new avenues for biomedical diagnostics and therapeutic interventions. Through this comprehensive exploration of diverse biosensor technologies and strategies, the thesis aims to contribute significantly to the ongoing evolution of electrochemical biosensors. By shedding light on the successful incorporation of advanced materials and innovative engineering approaches, it offers valuable insights into the potential of biosensors for transformative applications in various biomedical fields, ultimately advancing the frontiers of medical diagnosis and treatment.

(Català) Aquesta tesi doctoral s'endinsa en el camp dels biosensors electroquímics, dispositius fonamentals que permeten la detecció sensible i oportuna de diverses biomolècules. Específicament, explora el paper crític dels biosensors en aplicacions biomèdiques, on la identificació ràpida de biomarcadors com la glucosa (G), la dopamina (DA), la serotonina (SE) i el dinucleòtid d'adenina i nicotinamida (NADH) és imperativa per al diagnòstic de malalties com la diabetis, la malaltia de Parkinson, la malaltia d'Alzheimer i les infeccions emergents, entre altres malalties. La tesi ofereix un examen detallat de diversos biosensors dissenyats per dirigir-se a biomolècules específiques, elucidant les metodologies i els avenços recents crucials en la configuració del desenvolupament de dispositius. És notable la investigació sobre la influència de diferents materials, inclosos polímers conductors (CPs), materials ceràmics, materials a base de carboni, entre d'altres, en el rendiment dels biosensors. Es presta especial atenció al disseny de nanocompostos destinats a aconseguir una selectivitat i sensibilitat elevades. La incorporació de polímers conductors (CPs) com PEDOT en els biosensors ha resultat exitosa, especialment en la detecció de NADH de diverses bacteris. Això millora la conductivitat i la sensibilitat del sensor, crucials per identificar l'activitat bacteriana. És notable que aquesta tesi implementa aquest enfocament en dispositius biomèdics com a sutures i malles, ampliant les aplicacions dels biosensors a la detecció d'infeccions. D'altra banda, la tesi destaca l'èxit de l'enginyeria de biosensors a partir de termoplàstics aïllants impresos en 3D per a la detecció de dopamina (DA) entre altres biomolècules. Aprofitant estratègies innovadores, aquests biosensors demostren una selectivitat i sensibilitat notable en la detecció de DA, obrint el camí per a un diagnòstic i monitoratge millorats de trastorns neurològics i altres afeccions relacionades. A més, la tesi explora l'enginyeria de dispositius conductors basats en materials biològics com a hidrogels d'alginat i pèptids. Aquests materials bioinspirats ofereixen propietats úniques que afavoreixen el desenvolupament de biosensors, incloent la biocompatibilitat i la conductivitat ajustable. Aprofitant les característiques inherents dels materials biològics, es poden realitzar biosensors nous amb un rendiment i funcionalitat millorats, obrint noves vies per a diagnòstics biomèdics i intervencions terapèutiques. A través d'aquesta exploració exhaustiva de diverses tecnologies i estratègies de biosensors, la tesi té com a objectiu contribuir significativament a l'evolució contínua dels biosensors electroquímics. En posar llum sobre la incorporació exitosa de materials avançats i enfocaments enginyosos d'enginyeria, ofereix valuosos coneixements sobre el potencial dels biosensors per a aplicacions transformadores en diversos camps biomèdics, avançant en última instància en els límits del diagnòstic i tractament mèdic.

(Español) Esta tesis doctoral se adentra en el ámbito de los biosensores electroquímicos, dispositivos esenciales que permiten la detección sensible y oportuna de diversas biomoléculas. Específicamente, explora el papel crítico de los biosensores en aplicaciones biomédicas, donde la identificación rápida de biomarcadores como la glucosa (G), la dopamina (DA), la serotonina (SE) y el dinucleótido de adenina y nicotinamida (NADH) es imperativa para el diagnóstico de enfermedades como la diabetes, la enfermedad de Parkinson, la enfermedad de Alzheimer y las infecciones emergentes, entre otras enfermedades. La tesis ofrece un examen detallado de varios biosensores diseñados para dirigirse a biomoléculas específicas, elucidando las metodologías y los avances recientes cruciales en la configuración del desarrollo de dispositivos. Es destacable la investigación sobre la influencia de diferentes materiales, incluidos polímeros conductores (CPs), materiales cerámicos, materiales a base de carbono, entre otros, en el rendimiento de los biosensores. Se presta especial atención al diseño de nanocompuestos intrincados destinados a lograr una selectividad y sensibilidad elevadas. La incorporación de polímeros conductores (CPs) como PEDOT en los biosensores ha resultado exitosa, especialmente en la detección de nicotinamida adenina dinucleótido (NADH) de diversas bacterias. Esto mejora la conductividad y la sensibilidad del sensor, cruciales para identificar la actividad bacteriana. Es notable que esta tesis implementa este enfoque en dispositivos biomédicos como suturas y mallas, ampliando las aplicaciones de los biosensores a la detección de infecciones. Por otro lado, la tesis destaca el éxito de la ingeniería de biosensores a partir de termoplásticos aislantes impresos en 3D para la detección de dopamina (DA) entre otras biomoléculas. Al aprovechar estrategias innovadoras, estos biosensores demuestran una selectividad y sensibilidad notable en la detección de DA, allanando el camino para un diagnóstico y monitoreo mejorados de trastornos neurológicos y otras afecciones relacionadas. Además, la tesis explora la ingeniería de dispositivos conductores basados en materiales biológicos como hidrogeles de alginato y péptidos. Estos materiales bioinspirados ofrecen propiedades únicas que favorecen el desarrollo de biosensores, incluida la biocompatibilidad y la conductividad ajustable. Al aprovechar las características inherentes de los materiales biológicos, se pueden realizar biosensores novedosos con un rendimiento y funcionalidad mejorados, abriendo nuevas vías para diagnósticos biomédicos y intervenciones terapéuticas. A través de esta exploración exhaustiva de diversas tecnologías y estrategias de biosensores, la tesis tiene como objetivo contribuir significativamente a la evolución continua de los biosensores electroquímicos. Al arrojar luz sobre la incorporación exitosa de materiales avanzados y enfoques ingeniosos de ingeniería, ofrece valiosos conocimientos sobre el potencial de los biosensores para aplicaciones transformadoras en diversos campos biomédicos, avanzando en última instancia en los límites del diagnóstico y tratamiento médico.