Un novedoso sensor implantable detecta posibles señales de osteoartritis

Los investigadores desarrollaron un sensor implantable flexible que puede monitorear continuamente el óxido nítrico en la rodilla de un conejo. El gas puede indicar la aparición de osteoartritis inducida por daño. Crédito:Shangbin Liu/Penn State/Universidad de Tsinghua

Si el humo indica un incendio, el óxido nítrico indica inflamación. El mediador químico promueve la inflamación, pero los investigadores sospechan que puede hacer su trabajo demasiado bien después de las rupturas del ligamento cruzado anterior (LCA) y lesiones relacionadas e iniciar la osteoartritis de aparición temprana. Por lo general, la enfermedad degenerativa solo se diagnostica después de síntomas progresivos, pero potencialmente podría identificarse mucho antes a través del monitoreo de óxido nítrico, según Huanyu "Larry" Cheng, James E. Henderson Jr., profesor asociado de ingeniería, ciencia y mecánica en Penn State. .

Cheng y su alumno, Shangbin Liu, que obtuvo una maestría en ciencias de la ingeniería y mecánica en Penn State este año, colaboraron con investigadores con sede en China para desarrollar un biosensor flexible capaz de detectar óxido nítrico continuo e inalámbrico en conejos. Publicaron su enfoque en Proceedings of the National Academy of Sciences .

"La evaluación en tiempo real de los biomarcadores asociados con la inflamación, como el óxido nítrico en la cavidad articular, podría indicar una evolución patológica en el desarrollo inicial de la osteoartritis, proporcionando información esencial para optimizar las terapias después de una lesión traumática de rodilla", dijo Cheng.

El desafío, según Cheng, es que la detección de óxido nítrico requiere sensores electroquímicos altamente sensibles y estables que también sean flexibles y biocompatibles para que los orígenes geográficos del óxido nítrico puedan mapearse con precisión. El autor para correspondencia Lan Yin, profesor asociado en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Tsinghua en China, dirigió previamente el desarrollo de un sensor electroquímico sensible al óxido nítrico flexible, pero se basó en una configuración de electrodo que restringió sus capacidades.

"El área de superficie limitada hizo que fuera un desafío lograr simultáneamente una alta sensibilidad y una alta resolución espacial", dijo Yin, lo que significa que el dispositivo puede detectar el óxido nítrico, pero es posible que no pueda identificar exactamente dónde se originó, por lo que no fue claro si la señal estaba relacionada con el sitio de la lesión o el tejido circundante. "También se requería una recalibración de forma regular para garantizar la precisión deseable".

Los investigadores ajustaron la geometría del canal en el mecanismo de detección para optimizar la forma en que el gas ingresa al canal de detección antes de la detección. La imagen insertada resalta el drenaje (D), la longitud (L), la fuente (S) y el ancho (W) del canal. Crédito:Shangbin Liu/Penn State/Universidad de Tsinghua

Los investigadores recurrieron a la posible solución de transistores electroquímicos orgánicos (OECT) flexibles y biocompatibles, que pueden usar voltaje y corrientes para identificar y amplificar señales. Incluso las pequeñas concentraciones de iones son detectables y amplificables una vez que se oxidan en el electrodo de puerta y conducen los iones del electrolito al canal del dispositivo; sin embargo, el canal está hecho de un polímero, conocido como PEDOT:PSS, que a menudo opera a un voltaje de puerta diferente al del óxido nítrico.

"Ajustamos la geometría del canal y los materiales de la puerta para alinear cómo las señales electroquímicas de óxido nítrico ingresan al canal y cómo el dispositivo las detecta, optimizando las capacidades de detección", dijo Cheng. "El sensor sin referencia con una región de detección activa miniaturizada permite la detección de óxido nítrico con una resolución espacial mejorada en comparación con los sensores electroquímicos de óxido nítrico informados anteriormente, lo que podría permitir el mapeo de señales electroquímicas para ofrecer información de diagnóstico integral".

Los investigadores integraron los sensores con un módulo de circuito personalizado, lo que dio como resultado un dispositivo que monitorea de forma continua e inalámbrica los niveles de óxido nítrico, que se transmiten a través de Bluetooth a una aplicación de teléfono celular. Para probar el diseño, los investigadores implantaron los dispositivos en conejos. Durante ocho días, los investigadores encontraron que los dispositivos detectaron con éxito las concentraciones de óxido nítrico.

"Los resultados indican que los signos tempranos de concentraciones altas de óxido nítrico podrían correlacionarse con la inflamación y la degeneración del cartílago en una etapa posterior, lo que podría ofrecer información esencial para evaluar la progresión a la osteoartritis después de una lesión del LCA y optimizar los tratamientos postraumáticos", dijo Cheng.

Los investigadores planean continuar investigando la conexión entre las concentraciones de óxido nítrico y la osteoartritis y refinar la tecnología de detección, según Cheng.

"En general, las opciones de materiales propuestos y el diseño del dispositivo podrían ofrecer una base de ingeniería crítica para decodificar las condiciones de salud en una etapa temprana y maximizar los resultados terapéuticos de la degeneración y los trastornos asociados", dijo Yin. + Explora más