Ανάπτυξη &amp; χαρακτηρισμός εύκαμπτου ηλεκτροχημικού βιοαισθητήρα για ιατρικές εφαρμογές
Creators: name: Χατζηϊωάννου, Ιωάννα Ελισσάβετ Ιωσήφ
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Ηλεκτροχημικός βιοαισθητήρας
Νανοσωματίδια χρυσού
Καρδιαγγειακές παθήσεις
Electrochemical biosensor
Gold nanoparticles
Cardiovascular diseases

description: Τα τελευταία χρόνια σημειώνεται έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον γύρω από τους δείκτες καρδιακών παθήσεων και την ανίχνευση των ποσοστών τους στον ανθρώπινο οργανισμό, καθώς η μέτρησή τους στο αίμα χρησιμοποιείται εκτενώς ως διαγνωστικός και προγνωστικός δείκτης στη διαχείριση του εμφράγματος του μυοκαρδίου και άλλων καρδιαγγειακών παθήσεων. Επομένως, γίνεται αντιληπτή η αναγκαιότητα έγκαιρης και έγκυρης ανίχνευσης των υψηλών ποσοστών τους στον άνθρωπο, κάτι το οποίο μπορεί να πραγματοποιηθεί μέσω κατάλληλων βιοαισθητήρων. Η παρούσα Διπλωματική Εργασία πραγματεύεται την ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου υβριδικού εύκαμπτου ηλεκτροχημικού βιοαισθητήρα, μέσω μεθόδων αυτόματης εκτύπωσης για την ανίχνευση του καρδιακού δείκτη Α, που είναι υπεύθυνος για εμφάνιση εμφραγμάτων. Για τον λόγο αυτό, έγινε μελέτη διαφόρων υλικών για την κατασκευή και βιολειτουργικοποίηση του αισθητήρα, καθώς και μελέτη δύο τεχνικών εκτύπωσης (screen και inkjet printing). Πιο συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκε σύνθεση και μελέτη νανοσωματιδίων χρυσού (AuNPs) με επικάλυψη χιτοζάνης, τριών διαφορετικών μεγεθών, ενώ μελετήθηκε και η βιολειτουργικοποίηση του αισθητήρα με την μέθοδο των κυανιούχων συμπλόκων σιδήρου. Ακολούθησε η εκτύπωση του αισθητήρα με screen printing και η μελέτη επίδρασης της θερμοκρασίας κατά την ανόπτηση των στρωμάτων που εναποτίθονται. Έπειτα, διερευνήθηκαν οι παράμετροι εκτύπωσης του πρώτου στρώματος του αισθητήρα με inkjet printing και πιο συγκεκριμένα το resolution, η γωνία του cartridge, η θερμοκρασία του υποστρώματος και του cartridge, η διεύθυνση εκτύπωσης και η ενεργοποίηση ή όχι του υποστρώματος με plasma. Παράλληλα, μελετήθηκαν οι συνθήκες αντίδρασης του εκτυπωμένου με inkjet printing στρώματος Ag με διάλυμα NaClO (χρόνος εμβάπτισης και συγκέντρωση διαλύματος NaClO) με σκοπό τη σύνθεση του στρώματος Ag/AgCl. Μάλιστα, οι κατάλληλες συνθήκες βρέθηκαν μέσω σύγκρισης του φάσματος EDS των συνθέσεων με το αντίστοιχο φάσμα της εμπορικής πάστας Ag/AgCl. Τόσο τα δύο πρώτα στρώματα του αισθητήρα εκτυπωμένα με screen printing, όσο και τα δύο αντίστοιχα στρώματα εκτυπωμένα με inkjet printing, μελετήθηκαν με τις τεχνικές SEM, AFM και Laser Scanning Confocal Microscopes (LSCM), από όπου προέκυψαν σημαντικά συμπεράσματα για την ομοιογένεια και την τραχύτητα της κάθε εναπόθεσης. Επιπρόσθετα, έγινε μελέτη της επιφανειακής νανοτοπογραφίας δύο υλικών για το ηλεκτρόδιο εργασίας του βιοαισθητήρα μέσω των τεχνικών AFM και LSCM, ενώ για το στρώμα του διηλεκτρικού εξετάστηκαν τρία διαφορετικά πολυμερή, τα οποία θεωρούνται εκ κατασκευής κατάλληλα για εκτύπωση σε εύκαμπτα υποστρώματα. Τα πολυμερή αυτά μελετήθηκαν τόσο με τις τεχνικές AFM και LSCM, όσο και με μετρήσεις βολταμμετρίας, από όπου προέκυψε το καταλληλότερο υλικό για την ζητούμενη εφαρμογή. Όλα τα υλικά που μελετήθηκαν για να αποτελέσουν τα δομικά στρώματα του βιοαισθητήρα, μελετήθηκαν και ως προς τις ηλεκτρικές τους ιδιότητες μέσω μετρήσεων Eddy Current. Τέλος, έγινε συνδυασμός όλων των συμπερασμάτων που προέκυψαν από την παραπάνω μελέτη για την επιλογή των κατάλληλων υλικών και συνθηκών εκτύπωσης, με αποτέλεσμα την εκτύπωση ενός εύκαμπτου υβριδικού ηλεκτροχημικού βιοαισθητήρα, ο οποίος ανιχνεύει επιτυχώς τα επίπεδα του καρδιακού δείκτη Α στον ανθρώπινο οργανισμό, ενώ εξήχθη και η αντίστοιχη καμπύλη αναφοράς.  
description: In recent years there has been a strong research interest in the markers of heart disease and the detection of their rates in the human body, as their measurement in the blood is extensively used as a diagnostic and prognostic indicator in the management of myocardial infarction and other cardiovascular diseases. Therefore, the necessity of early and valid detection of their high rates in humans is realized, which can be realized through the appropriate biosensors. This Diploma Thesis deals with the development of an integrated hybrid flexible electrochemical biosensor, through automatic printing methods, for the detection of cardiac index A, which is responsible for the appearance of heart attacks. For this reason, various materials were studied for the construction and biofunctionalization of the sensor, as well as a study of two printing techniques (screen and inkjet printing). More specifically, a synthesis and study of chitosan-coated gold nanoparticles (AuNPs) of three different sizes was carried out, while the biofunctionalization of the sensor was also studied using the method of iron cyanide complexes. This was followed by the printing of the sensor with screen printing and the study of the effect of temperature during the drying of the deposited layers. Then, the printing parameters of the first layer of the sensor with inkjet printing were investigated and more specifically the resolution, the angle of the cartridge, the temperature of the substrate and the cartridge, the direction of printing and the activation or not of the substrate with plasma. At the same time, the reaction conditions of the inkjet-printed Ag layer with NaClO solution (immersion time and concentration of NaClO solution) were studied in order to synthesize the Ag/AgCl layer. In fact, the appropriate conditions were found by comparing the EDS spectrum of the compositions with the corresponding spectrum of the commercial Ag/AgCl paste. Both the first two layers of the sensor printed with screen printing, as well as the two corresponding layers printed with inkjet printing, were studied with SEM, AFM and Laser Scanning Confocal Microscopes (LSCM) techniques, from which important conclusions were drawn about the homogeneity and roughness of each deposit. Additionally, the surface nanotopography of two materials for the working electrode of the biosensor was studied through the AFM and LSCM techniques, while for the dielectric layer, three different polymers were examined, which are considered by construction suitable for printing on flexible substrates. These polymers were studied both with the AFM and LSCM techniques and with voltammetry measurements, from which the most suitable material for the requested application emerged. All the materials studied to form the structural layers of the biosensor were also studied for their electrical properties through Eddy Current measurements. Finally, all the conclusions obtained from the above study were combined to select the appropriate materials and printing conditions, with the result of printing a flexible hybrid electrochemical biosensor, which successfully detects the levels of cardiac marker A in the human body, while the corresponding reference curve was also explained.