Tesis:
Study of new applications of the Quartz Crystal Resonator (QCR) for the characterization of viscoelastic properties of biological fluids of interest for medical applications
- Autor: MIRANDA MARTÍNEZ, Andrés
- Título: Study of new applications of the Quartz Crystal Resonator (QCR) for the characterization of viscoelastic properties of biological fluids of interest for medical applications
- Fecha: 2022
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: TECNOLOGIA FOTONICA Y BIOINGENIERIA
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/72134/
- Director/a 1º: SERRANO OLMEDO, José Javier
- Resumen: Quartz crystal resonators (QCRs) are widely used as sensors because of their ability to detect changes in the physical properties of the sample placed on their surface. In addition, they are inexpensive, sensitive, and have good accuracy. Its small size benefits the use of small sample volumes, which opens the door to many possible applications in biomedicine and bioengineering.
The UPM ViSQCT project, which is being developed at CTB, has developed a prototype sensor based on QCRs. This prototype was updated in the present work. The sensor is based on the analysis of the conductance curve, generated by exciting the crystal through a frequency sweep (close to the fundamental resonance frequency of the crystal). The resonance frequency at the maximum conductance point is its primary reference when evaluating the samples deposited on its surface.
Two approaches to the application of QCRs as sensors are proposed.
First, the development of the sensor as a valuable tool for diagnosis or classification between different conditions of the same fluid is sought.
An example of this is the case of synovial fluid. The viscosity of healthy SF decreases in the case of pathologies such as rheumatoid arthritis or osteoarthritis. Therefore, measuring the sample's viscosity can be a parameter that helps the classification of the sample.
Otherwise, a larger sample volume would be required, or large and expensive devices would be used for the same purpose.
A second approach is to use the device as a tool to characterize the formation of biopolymer-based hydrogels. Such characterization is carried out using expensive and large equipment. As an alternative, a low-cost, portable and straightforward system is proposed to assist in this task. Knowledge of the mechanical properties of these materials is essential, and the design of the mechanical properties will determine how well the material will perform depending on its application. When used as scaffolds for cell growth, stiffness is a determining factor in cell differentiation. If a hydrogel is sought for bioprinting, a specific viscosity capable of flowing through the nozzle and yet stable when forming structures will be required. In the case of implantable gels, their mechanical properties must match the surrounding tissues.
With this in mind, having a device with the described conditions will help researchers design hydrogels. Therefore, this work proposes the use of this device for two biomedical applications.
First, measurements were made with synovial fluid and cerebrospinal fluid phantoms (with contrasting viscoelastic properties), and differences between healthy and pathological fluids were observed employing the measured parameters. Subsequently, measurements were made with synovial fluid provided by the Hospital Universitario La Paz in Madrid. The samples were previously diagnosed and classified into two
groups: inflammatory pathologies and infectious pathologies. When measuring the samples, using the parameters obtained for the differentiation of the groups showed low accuracy; however, when applying artificial neural network algorithms, the accuracy increased.
Finally, experiments were performed with hydrogels to monitor the formation of the gel by capturing its viscosity change with the sensor.
Two types of bonds were used for gel formation, the first by covalent crosslinking and the second by physical crosslinking. In addition, for each case, the agents' concentration varied to vary the physical properties of the resulting gel. The formation of both types of hydrogels was captured, the sensor having a different response to each type of concentration.
The proposed technique presents advantages such as simplicity, reduced sample volume, low cost, and portability, making it accessible to any laboratory and generating interest in further development.
This thesis provides new contributions to the development of QCR-based sensors and opens a possibility for further research lines regarding biomedical applications.
RESUMEN
Los resonadores de cristal de cuarzo (QCR) se utilizan ampliamente como sensores por su capacidad para detectar los cambios en las propiedades físicas de una muestra colocada en su superficie. Además, son baratos, sensibles y tienen una buena precisión. Su pequeño tamaño favorece el uso de pequeños volúmenes de muestra, lo que abre la puerta a muchas posibles aplicaciones en biomedicina y bioingeniería.
El proyecto ViSQCT de la UPM, que se desarrolla en el CTB, ha desarrollado un prototipo de sensor basado en QCRs. Este prototipo ha sido actualizado en el presente trabajo. El sensor se basa en el análisis de la curva de conductancia, generada al excitar el cristal a través de un barrido de frecuencias (cercano a la frecuencia de resonancia fundamental del cristal). La frecuencia de resonancia en el punto de máxima conductancia es su principal referencia a la hora de evaluar las muestras depositadas en su superficie.
Se proponen dos enfoques para la aplicación de los QCR como sensores. En primer lugar, se busca el desarrollo del sensor como una valiosa herramienta de diagnóstico o clasificación entre diferentes condiciones de un mismo fluido. Un ejemplo de ello es el caso del líquido sinovial.
La viscosidad del SF sano disminuye en el caso de patologías como la artritis reumatoide o la artrosis. Por lo tanto, la medición de la viscosidad de la muestra puede ser un parámetro que ayude a la clasificación de la misma. De lo contrario, se necesitaría un mayor volumen de muestra o se utilizarían dispositivos grandes y caros para el mismo fin.
Un segundo enfoque es utilizar el dispositivo como herramienta para caracterizar la formación de hidrogeles basados en biopolímeros. Dicha caracterización se lleva a cabo utilizando equipos caros y de gran tamaño. Como alternativa, se propone un sistema de bajo coste, portátil y sencillo para ayudar en esta tarea. El conocimiento de las propiedades mecánicas de estos materiales es esencial, y el diseño de las mismas determinará el rendimiento del material en función de su aplicación.
Cuando se utilizan como estructuras para el crecimiento celular, la rigidez es un factor determinante en la diferenciación celular. Si se busca un hidrogel para la bioimpresión, se requerirá una viscosidad específica capaz de fluir a través de la boquilla y a la vez estable al formar estructuras. En el caso de los geles implantables, sus propiedades mecánicas deben coincidir con los tejidos circundantes.
Teniendo esto en cuenta, disponer de un dispositivo con las condiciones descritas ayudará a los investigadores a diseñar hidrogeles. Por ello, este trabajo propone el uso de este dispositivo para dos aplicaciones biomédicas.
En primer lugar, se realizaron mediciones con fantomas de líquido sinovial y líquido cefalorraquídeo (con propiedades viscoelásticas contrastadas), y se observaron diferencias entre los fluidos sanos y patológicos empleando los parámetros medidos. Posteriormente, se realizaron mediciones con líquido sinovial proporcionado por el Hospital Universitario La Paz de Madrid. Las muestras fueron previamente diagnosticadas y clasificadas en dos grupos: patologías inflamatorias y patologías infecciosas. Al medir las muestras, la utilización de los parámetros obtenidos para la diferenciación de los grupos mostró una precisión baja; sin embargo, al aplicar algoritmos de redes neuronales artificiales, la precisión incrementó considerablemente. Por último, se realizaron experimentos con hidrogeles para monitorizar la formación del gel captando su cambio de viscosidad con el sensor. Se utilizaron dos tipos de enlaces para la formación del gel, el primero por reticulación covalente y el segundo por reticulación física. Además, en cada caso se varió la concentración de los agentes para variar las propiedades físicas del gel resultante. Se logró captar la formación de ambos tipos de hidrogeles, teniendo el sensor una respuesta diferente a cada tipo de concentración.
La técnica propuesta presenta ventajas como la simplicidad, el reducido volumen de muestra, el bajo coste y la portabilidad, lo que la hace accesible a cualquier laboratorio y genera interés para su posterior desarrollo. Esta tesis aporta nuevas contribuciones al desarrollo de sensores basados en QCR y abre la posibilidad de nuevas líneas de investigación en cuanto a aplicaciones biomédicas.