Solución de sensores verifica el equilibrio de electrolitos

Un chip de sensor fotónico desarrollado en el proyecto optION con ocho canales de sensor en la plataforma de material de nitruro de silicio. © leto digital Leontopoulos GbR / Uno de los chips de sensor fotónico desarrollados como parte del proyecto optION con ocho canales de sensor hechos de nitruro de silicio. © leto digital Leontopoulos GbR

Los electrolitos son fundamentales para el equilibrio hídrico y la distribución de líquidos en el organismo humano. Dado que las partículas cargadas disueltas en la sangre se influyen mutuamente en su equilibrio complejo, en cada sospecha de alteración se determina la concentración de varios de estos microminerales. En el proyecto optION, investigadores del Instituto Fraunhofer para la Tecnología de la Comunicación, Heinrich-Hertz-Institut, HHI, junto con socios de diferentes disciplinas, se unieron para desarrollar un concepto de dispositivo que reduzca significativamente la cantidad de sangre necesaria para el análisis mediante una solución sensorial fotónica y facilite notablemente el proceso de prueba para todos los involucrados.

Ya sea en enfermedades renales, insuficiencia cardíaca, intoxicación por alcohol o diabetes mellitus, para el diagnóstico médico de estas y muchas otras enfermedades graves, es imprescindible verificar el equilibrio electrolítico. Su composición en diferentes áreas del cuerpo está cuidadosamente equilibrada. Si cambia, puede tener consecuencias dramáticas: por ejemplo, si la concentración de iones de sodio es demasiado baja, las células cerebrales pueden hincharse y causar coma. Los dispositivos de medición actualmente utilizados requieren un electrodo de medición separado para cada electrolito. Para poder sobrecargar todos los electrodos, se necesita una muestra de sangre de aproximadamente 70 a 80 microlitros. El volumen de sangre que se puede obtener de niños pequeños o pacientes mayores a menudo no es suficiente para esto.

Para abordar este desafío, equipos especializados en medicina, mecánica de fluidos, química de superficies, fotónica y electrónica de la empresa Eschweiler de Kiel, la Scienion AG, la Charité – Medicina Universitaria de Berlín y el Fraunhofer HHI se unieron en el consorcio optION. Su objetivo: investigar y promover un nuevo principio de medición basado en la fotónica que permita analizar con precisión cantidades muy pequeñas de sangre. Y había otra intención que impulsaba a los investigadores: querían desarrollar un concepto de dispositivo que permitiera a los usuarios finales realizar pruebas rápidas, sencillas y cómodas en áreas de difícil acceso para diferentes parámetros de salud. »Se puede imaginar como una prueba de glucosa en sangre sencilla«, explica Jakob Reck, líder del proyecto del Fraunhofer HHI: »Una punción y la pequeña gota que sale del dedo son suficientes para determinar de inmediato todos los parámetros relevantes.«

Microrresonadores en anillo para la determinación de electrolitos

Los expertos utilizan resonadores en anillo como sensores fotónicos. Los guías de onda integrados, altamente sensibles, se basan en nitruro de silicio y se fabrican directamente en las salas limpias del Fraunhofer HHI. Los guías de onda forman un anillo donde la luz infrarroja cercana puede interactuar consigo misma y con el entorno.

Cuando un analito se deposita en este anillo, su índice de refracción efectivo y su resonancia óptica se desplazan. »El anillo se desajusta, como una cuerda de guitarra«, explica Reck. »Cuando un analito golpea el anillo, es decir, la cuerda, el tono cambia. Y podemos hacer que estas cuerdas de guitarra sean extremadamente sensibles en la fotónica, para obtener una señal clara y un análisis preciso.«

La asignación específica de la señal de un sensor a un electrolito se garantiza mediante la funcionalización de la superficie del sensor: científicos de la empresa Scienion recubrieron los resonadores en anillo con moléculas captadoras especiales. Solo el analito dirigido puede adherirse a un resonador mediante el principio de llave y cerradura, afectando así el campo de luz en la guía de onda. Este cambio está directamente relacionado con la cantidad de moléculas depositadas. Dado que ya se pueden medir desviaciones mínimas en las propiedades ópticas, los expertos pudieron detectar incluso cantidades mínimas de sustancias con alta precisión.

Para los sensores fotónicos funcionalizados, el Laboratorio de Mecánica de Fluidos de la Charité de Berlín desarrolló una microfluídica que dirige pequeñas cantidades de líquido hacia los chips. Varios sensores en anillo con diferentes recubrimientos se sobrealimentan con una muestra. De esta forma, con menos de 20 microlitros de volumen, se puede determinar la concentración de electrolitos. Luego, los expertos de Eschweiler y del Fraunhofer HHI combinaron sensores y microfluídica con una electrónica de control, lectura y análisis adaptada, creando un prototipo funcional cuya capacidad fue nuevamente probada en el Fraunhofer HHI y en el Instituto de Medicina de Laboratorio, Química Clínica y Bioquímica de la Charité.

Preciso en medición y altamente flexible

Y estas pruebas hablan por sí mismas: »Nuestro método es altamente flexible y muy confiable«, comenta Reck, científico del Fraunhofer HHI. »Independientemente del parámetro que se analice, generalmente superamos en dos órdenes de magnitud el límite de detección de las pruebas convencionales. Y nuestras capacidades son amplias, ya que las superficies de nuestros resonadores se pueden adaptar directamente a numerosos analitos.«

Además, los sensores fotónicos del consorcio son muy pequeños y permiten mediciones sensibles de volúmenes mínimos, así como la detección paralela de diferentes electrolitos y otros biomarcadores mediante una multiplexación de varias anillas sensoras. »Tenemos un chip con ocho resonadores en anillo, y este chip sensor tiene el tamaño de una uña. Por lo tanto, el método puede ser altamente miniaturizado e integrado«, explica Reck. Además, el sensor está diseñado para la adquisición rápida de datos en tiempo real, por ejemplo, para mostrar la cinética superficial en la unión de biomoléculas.

El demostrador actual del cabezal del sensor cabe en una caja de zapatos y permite la creación de un pequeño dispositivo portátil que puede reemplazar las mesas de laboratorio y ser enviado fácilmente para uso externo. Además, no requiere conexión a la red eléctrica, ya que funciona con batería, lo que facilita aún más su manejo.

Solución interdisciplinaria – amplia aplicabilidad

Su interdisciplinariedad, según Jakob Reck, es un valor añadido extraordinario del proyecto y un factor que inicialmente desafió a los miembros del consorcio: »Se trataba de realizar un concepto innovador que fuera necesario en el mercado, considerando todos los aspectos: desde los chips fotónicos hasta la funcionalización de superficies, microfluídica y la integración del dispositivo. Solo con mucha comunicación y voluntad de entender las necesidades de otras disciplinas se puede lograr esto.«

El resultado del proyecto de investigación, finalizado en octubre de 2022, es notable. Los socios exitosos ya planean proyectos posteriores: tienen muchas ideas y la demanda del mercado es grande. Así, en 2022 también se inició el proyecto en red PolyChrome Berlín: busca abrir nuevas aplicaciones en sensores y análisis, que puedan implementarse de manera rentable. En este caso, un aspecto clave también es la analítica con chips sensoriales fotónicos, y los expertos del Fraunhofer HHI participan en este proyecto. »Aquí se demuestra la amplia aplicabilidad de nuestra solución, ya que en este proyecto vamos más allá de la medicina y buscamos establecer los sensores en ciencias de la vida, por ejemplo, para la detección de vitaminas. Otro campo de aplicación interesante es la analítica del agua y del medio ambiente para pruebas rápidas en cuerpos de agua o tuberías, en estas últimas, por ejemplo, para detectar cianobacterias«, revela Jakob Reck, experto del Fraunhofer. Pequeños chips sensoriales que mueven mucho, en cualquier caso, demostrarán su rendimiento en el futuro cercano de múltiples maneras.