DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-22520-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41193620
تاريخ النشر: 2025-11-05
المؤلف: Badri Parshad وآخرون
الموضوع الرئيسي: الكيمياء التحليلية وأجهزة الاستشعار
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة طلاء نانو مركب هيدروجيل جديد مصمم لجهاز استشعار الأكسجين القائم على الميتالوبورفيرين، يهدف إلى تعزيز القياس الحيوي الكمي في الوقت الحقيقي في أنظمة التروية خارج الجسم (ECP) وأنظمة الأكسجة عبر الغشاء خارج الجسم (ECMO). يتكون الطلاء من بوليسلفوبتاين، بولي إيثيلين جلايكول، وجزيئات نانو أكسيد التيتانيوم، ويظهر سمية خلوية وتأثيرات انحلال دم منخفضة (< 5%)، بالإضافة إلى خصائص غير لاصقة وغير متجلطة، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب ملامسة الدم. تعمل إضافة جزيئات نانو أكسيد التيتانيوم على تحسين انعكاس إشارة المستشعر وقوة التحمل (معامل التخزين > 1000 باسكال)، مع الحفاظ على مساحة المسام المناسبة لتسهيل انتشار السوائل والغازات. وهذا يمكّن من مراقبة دقيقة لضغوط الأكسجين الجزئية ($pO_2$) في كل من محلول ملحي مخفف بالفوسفات (PBS) والدم لأكثر من 90 دقيقة داخل خلية تدفق مصغرة.
يمثل النانو مركب الهيدروجيل تقدمًا كبيرًا في المواد الحيوية المتوافقة مع الدم، مما يسهل مراقبة $pO_2$ في الوقت الحقيقي في مستشعر مدمج يمكن دمجه في دوائر ECP وECMO. تسلط الدراسة الضوء على الإمكانية التي توفرها هذه التكنولوجيا لتعزيز سلامة المرضى من خلال توفير مراقبة مستمرة للأكسجة، وهو أمر حاسم في البيئات الطبية الطارئة. ستركز الأبحاث المستقبلية على اختبار الهيدروجيل في البيئات السريرية باستخدام دم الإنسان الكامل واستكشاف تطبيقاته في تروية الأعضاء خارج الجسم وسيناريوهات سريرية أخرى، مثل تروية الأعضاء المركبة الوعائية وتشخيص أمراض الكلى. بشكل عام، يعد هذا النهج المبتكر بتحسين قابلية الاستخدام وقابلية النقل لأنظمة ECP وECMO، مما يمهد الطريق لتطبيقات سريرية أوسع.
الطرق
في قسم الطرق، يوضح المؤلفون المواد المستخدمة في بحثهم، مع التركيز على استخدام كواشف وعوامل حفازة عالية النقاء مصدرها من موردين تجاريين مختلفين. تشمل المواد الرئيسية المونومر ثنائي الأيون 2-(N-3-Sulfopropyl-N,N-dimethyl ammonium)ethyl methacrylate (SPE)، N,N’-methylenebisacrylamide (BIS)، وجزيئات نانو TiO2 بحجم 20 نانومتر، جميعها تم الحصول عليها من Sigma Aldrich. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على أكريلاميد PEG رباعي الذراع من Creative PEGworks، بينما تم تخليق الميتالوبورفيرين المستشعر للأكسجين بناءً على بروتوكولات تم تأسيسها مسبقًا. تم تصنيع خلايا التدفق للتجارب باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد FormLabs-3B مع راتنج Clear v4.
شملت مواد زراعة الخلايا وسط Eagle المعدل من دولبيكو (DMEM) معززة بمصل الجنين البقري والبنسلين-ستربتوميسين لزراعة خلايا OVCAR5 و NIH3T3. تم الحصول على عينات الدم، بما في ذلك دم الفئران من نوع Sprague-Dawley و بلازما بشرية طبيعية مجمعة، للاستخدام التجريبي. تم الحصول على كواشف أخرى، مثل Triton X-100 ومجموعات تصوير الخلايا المختلفة، من موردين موثوقين، مما يضمن موثوقية وإمكانية تكرار الإجراءات التجريبية.
المناقشة
في هذا القسم، يوضح المؤلفون تخليق وتوصيف نانو مركب هيدروجيل مصمم لتطبيقات استشعار الأكسجين في أنظمة التروية خارج الجسم (ECP) وأنظمة الأكسجة عبر الغشاء خارج الجسم (ECMO). تم تخليق الهيدروجيل باستخدام الربط التساهمي الذي يتضمن مركبات ثنائية الأيون، وبشكل خاص 2-(N-3-Sulfopropyl-N,N-dimethyl ammonium)ethyl methacrylate (SPE)، N,N’-methylenebisacrylamide (BIS)، و4-arm-PEG-acrylamide، مع دمج جزيئات نانو أكسيد التيتانيوم (TiO2 NPs) لتعزيز الخصائص الميكانيكية وتسهيل انتشار الأكسجين. أظهر الهيدروجيل الناتج نسبة انتفاخ تبلغ 240% ونسبة هلامية تتجاوز 90%، مما يدل على الربط الفعال وسلامة الهيكل. كشفت الاختبارات الميكانيكية أن دمج جزيئات TiO2 NPs زاد بشكل كبير من معامل التخزين (G’)، مما يعزز القوة الميكانيكية للهيدروجيل.
تم تأكيد توافق الهيدروجيل الحيوي وتوافقه مع الدم من خلال اختبارات السمية الخلوية واختبارات انحلال الدم، مما يظهر تأثيرات سمية خلوية ضئيلة على خطوط خلايا NIH3T3 وOVCAR5، بالإضافة إلى نشاط انحلال دم منخفض عند ملامسته لخلايا الدم الحمراء للفئران. بالإضافة إلى ذلك، أظهر الهيدروجيل خصائص غير لاصقة، وهو أمر حاسم لمنع التلوث في التطبيقات التي تتطلب ملامسة الدم، وأظهر سلوكًا غير متجلط، مع أوقات تجلط مقارنة بالأسطح المطلية بالهيبارين. تم دمج فيلم استشعار الأكسجين المغطى بالهيدروجيل في خلية تدفق لمراقبة pO2، مما يظهر استجابات سريعة ودقيقة للتغيرات في مستويات الأكسجين، مما يؤكد ملاءمته للتطبيقات السريرية في أنظمة ECP وECMO. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على إمكانيات الهيدروجيل كطلاء موثوق وفعال لتقنيات استشعار الأكسجين في البيئات الطبية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-22520-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41193620
Publication Date: 2025-11-05
Author(s): Badri Parshad et al.
Primary Topic: Analytical Chemistry and Sensors
Overview
This research presents a novel hydrogel nanocomposite coating designed for a metalloporphyrin-based oxygen sensor, aimed at enhancing real-time, quantitative biosensing in extracorporeal perfusion (ECP) and extracorporeal membrane oxygenation (ECMO) systems. The coating, composed of polysulfobetaine, polyethylene glycol, and titanium dioxide nanoparticles, demonstrates minimal cytotoxicity and hemolytic effects (< 5%), along with non-adhesive and non-coagulant properties, making it suitable for blood-contacting applications. The incorporation of titanium dioxide nanoparticles improves sensor signal reflection and mechanical strength (storage modulus > 1000 Pa), while maintaining a pore area conducive to efficient fluid and gas diffusion. This enables accurate monitoring of oxygen partial pressures ($pO_2$) in both phosphate-buffered saline (PBS) and blood for over 90 minutes within a miniaturized flow cell.
The hydrogel nanocomposite represents a significant advancement in blood-compatible biomaterials, facilitating real-time $pO_2$ monitoring in a compact sensor that can be integrated into ECP and ECMO circuits. The study highlights the potential for this technology to enhance patient safety by providing continuous oxygenation monitoring, which is critical in emergency medical settings. Future research will focus on testing the hydrogel in clinical settings with whole human blood and exploring its applications in ex vivo organ perfusion and other clinical scenarios, such as vascular composite allograft perfusion and kidney disease diagnostics. Overall, this innovative approach promises to improve the usability and portability of ECP and ECMO systems, paving the way for broader clinical applications.
Methods
In the Methods section, the authors detail the materials utilized in their research, emphasizing the use of high-purity reagents and catalysts sourced from various commercial suppliers. Key materials include the zwitterionic monomer 2-(N-3-Sulfopropyl-N,N-dimethyl ammonium)ethyl methacrylate (SPE), N,N’-methylenebisacrylamide (BIS), and 20 nm TiO2 nanoparticles, all procured from Sigma Aldrich. Additionally, 4-arm-PEG acrylamide was obtained from Creative PEGworks, while O2 sensing metalloporphyrin was synthesized based on previously established protocols. The flow cells for experiments were fabricated using a FormLabs-3B 3D printer with Clear v4 Resin.
Cell culture materials included Dulbecco’s modified Eagle’s medium (DMEM) supplemented with fetal bovine serum and penicillin-streptomycin for the cultivation of OVCAR5 and NIH3T3 cells. Blood samples, both Sprague-Dawley rat whole blood and pooled normal human plasma, were acquired for experimental use. Other reagents, such as Triton X-100 and various cell imaging kits, were sourced from reputable suppliers, ensuring the reliability and reproducibility of the experimental procedures.
Discussion
In this section, the authors detail the synthesis and characterization of a hydrogel nanocomposite designed for oxygen sensing applications in extracorporeal perfusion (ECP) and extracorporeal membrane oxygenation (ECMO) systems. The hydrogel was synthesized using covalent crosslinking involving zwitterionic compounds, specifically 2-(N-3-Sulfopropyl-N,N-dimethyl ammonium)ethyl methacrylate (SPE), N,N’-methylenebisacrylamide (BIS), and 4-arm-PEG-acrylamide, with titanium dioxide nanoparticles (TiO2 NPs) incorporated to enhance mechanical properties and facilitate oxygen diffusion. The resulting hydrogel exhibited a swelling ratio of 240% and a gel fraction exceeding 90%, indicating effective crosslinking and structural integrity. Mechanical tests revealed that the incorporation of TiO2 NPs significantly increased the storage modulus (G’), enhancing the hydrogel’s mechanical strength.
The hydrogel’s biocompatibility and hemocompatibility were confirmed through cytotoxicity assays and hemolysis tests, demonstrating negligible cytotoxic effects on NIH3T3 and OVCAR5 cell lines, as well as minimal hemolytic activity when in contact with rat red blood cells. Additionally, the hydrogel displayed non-adhesive properties, crucial for preventing fouling in blood-contacting applications, and exhibited non-coagulant behavior, with clotting times comparable to heparin-coated surfaces. The hydrogel-coated oxygen sensing film was integrated into a flow cell for pO2 monitoring, demonstrating rapid and accurate responses to changes in oxygen levels, thus confirming its suitability for clinical applications in ECP and ECMO systems. Overall, the findings highlight the hydrogel’s potential as a reliable and effective coating for oxygen sensing technologies in medical settings.