Síntesis de hidrogeles biofuncionalizados con proteínas para biosensado avanzado basado en holografía

Abstract

[EN] Hydrogels are polymeric networks capable of absorbing large amounts of water, without losing their three-dimensional structure, and they constitute a very favorable environment to house biomolecules and for biointeractions to take place. For this reason, they have been widely used in tissue engineering and controlled drug release, among other fields. In the case of its application in biosensing, it is necessary to synthesize hydrogels that are biosensitive, that is, that in the presence of the analyte give a specific interaction that produces a measurable change in the properties of the hydrogel. Hydrogel-based holographic sensors consist of a biosensitive hydrogel with an etched holographic pattern, which diffracts light based on the dimensions and changes in refractive index of the material. When specific recognition occurs, a change in the refractive index or grating periodicity is caused which causes a change in the diffraction pattern, and that change in the diffraction pattern can be correlated with the amount of analyte. In this way, a biodetection is achieved that presents advantages over established techniques, due to its simplicity, absence of labeling and low cost. In this work, the design, synthesis, and characterization of hydrogels for their use in holographic biosensing have been considered. The synthesized materials are based on the acrylamide monomer incorporating a model protein/antibody (BSA/antiBSA) system and a mobile spacer based on polyrotaxanes. The mobile spacer aims to improve the mechanical properties of the polymer by allowing greater changes in the diffraction pattern after biorecognition, thanks to the presence of slip rings. For the synthesis of hydrogels including slip rings, two strategies have been carried out. In the first, the slip rings will join the polymer chain in situ, while the hydrogel is formed and proteins are incorporated, modified with acrylate groups that They will act as bioreceptors. In the second strategy, the union of the bioreceptors (proteins) to the rings is proposed to later string them into linear chains, and finally polymerize them to generate the hydrogel. In both strategies, the compositions and synthesis procedures have been optimized to obtain materials with the appropriate properties that allow the engraving of the holographic pattern, which allows its use in optical biosensing without labeling. Through the development of materials for the biosensing of model systems, the foundations will be laid for the subsequent design of specific biosensors, attending to different needs. This work contributes to the development of SDGs 3, 6, 13, 14 and 15: health and well-being, clean water and sanitation, climate action, life underwater and life in terrestrial ecosystems.

[ES] Los hidrogeles son redes poliméricas capaces de absorber grandes cantidades de agua, sin perder su estructura tridimensional y constituyen un ambiente muy favorable para albergar biomoléculas y para que se produzcan biointeracciones. Por ello, han sido ampliamente utilizados en ingeniería tisular y en liberación contralada de fármacos, entre otros ámbitos. En el caso de su aplicación en biosensado, es necesario sintetizar hidrogeles que sean biosensibles, es decir, que ante la presencia del analito den una interacción específica que produzca un cambio medible en las propiedades del hidrogel. Los sensores holográficos basados en hidrogeles consisten en un hidrogel biosensible con un patrón holográfico grabado, que difracta la luz según las dimensiones y los cambios en el índice de refracción del material. Cuando se produce el reconocimiento específico, se provoca un cambio en el índice de refracción o en la periodicidad de la red lo que genera un cambio en el patrón de difracción y ese cambio en el patrón de difracción se puede correlacionar con la cantidad de analito. De esta manera se consigue una biodeteccion que presenta ventajas frente a las técnicas establecidas, por su sencillez, ausencia de marcaje y bajo coste. En este trabajo se ha planteado el diseño, síntesis y caracterización de hidrogeles para su empleo en biosensado holográfico. Los materiales sintetizados se basan en el monómera acrilamida incorporando un sistema proteína/anticuerpo modelo (BSA/antiBSA) y un espaciador móvil basado en polirotaxanos. El espaciador móvil pretende mejorar las propiedades mecánicas del polímero permitiendo mayores cambios en el patrón de difracción tras el biorreconocimiento, gracias a la presencia de los anillos deslizantes. Para la síntesis de los hidrogeles incluyendo anillos deslizantes se han llevado a cabo dos estrategias, en la primera los anillos deslizantes se unirán a la cadena polimérica in situ, a la vez que se forma el hidrogel y se incorporan proteínas, modificadas con grupos acrilato que actuarán como biorreceptores. En la segunda estrategia, se plantea la unión de los biorreceptores (proteínas) a los anillos, para posteriormente ensartarlas en cadenas lineales, y finalmente polimerizarlas para generar el hidrogel. En ambas estrategias se han optimizado las composiciones y procedimientos de síntesis para obtener materiales con las propiedades adecuadas que permitan el grabado del patrón holográfico, que permita su empleo en biosensado óptico sin marcaje. Mediante el desarrollo de materiales para el biosensado de sistemas modelo se sentarán las bases para el posterior diseño de biosensores específicos atendiendo a distintas necesidades. Este trabajo contribuye al desarrollo de los ODS 3, 6, 13, 14 y 15: salud y bienestar, agua limpia y saneamiento, acción por el clima, vida submarina y vida de ecosistemas terrestres.