Desarrollo de un sistema para el análisis impedimétrico de biocapas bacterianas incluyendo biosensores, protocolos y plataforma experimental y su aplicación en implantes de acceso venoso central.
Palabras clave : 
Biosensores de superficie libre.
Biosensores de microelectrodos interdigitados.
Espectroscopía de impedancia.
Microbiología de impedancia.
Detección de biocapas bacterianas.
CDC Reactor de biocapas modificado.
Fecha de publicación: 
2012
Fecha de la defensa: 
24-oct-2012
Editorial : 
Servicio de Publicaciones. Universidad de Navarra
Cita: 
PAREDES PUENTE, Jacobo ""Desarrollo de un sistema para el análisis impedimétrico de biocapas bacterianas incluyendo biosensores, protocolos y plataforma experimental y su aplicación en implantes de acceso venoso central."" Arana, Sergio. Tesis doctoral. Universidad de Navarra, 2012
Resumen
Las biocapas bacterianas son estructuras tridimensionales formadas por bacterias de una o varias especies y una matriz extracelular que dota a estos sistemas de características únicas. La más importante es la resistencia a los agentes antimicrobianos que hace de eliminación un verdadero problema en todo tipo de entornos, industrial, alimentario, sanitario… La detección precoz de estos sistemas microbiológicos es una de las claves en la eficacia de los tratamientos de estos micro-bio-sistemas. En esta investigación se aborda esta problemática desde la perspectiva de la detección y monitorización del crecimiento de biocapas mediante la medida de los cambios producidos en la impedancia eléctrica dentro de un medio objetivo. Aunque este desarrollo podría aplicarse en general a cualquiera de las aplicaciones antes citadas, en este proyecto los esfuerzos de investigación se han centrado en las aplicaciones sanitarias. Las biocapas bacterianas son en muchos casos el origen de infecciones asociadas a los catéteres intravasculares, que resultan difícilmente tratables dando lugar a patologías crónicas en pacientes afectados por otras enfermedades. El objetivo de este trabajo es, por tanto, el desarrollo de un biosensor de medida de impedancia capaz de ser integrado en estos dispositivos para mejorar el diagnóstico de los procesos infecciosos. Se ha diseñado un biosensor basado en microelectrodos interdigitados fabricado sobre sustrato de silicio. Así mismo se han desarrollado diferentes plataformas de cultivo y medida para simular las condiciones de crecimiento de las biocapas en su entorno natural. Para ello en primer lugar se ha realizado un trabajo de caracterización de los biosensores y de los diferentes medios en base a la aplicación final. Finalmente se han realizado una serie de ensayos de monitorización del crecimiento de biocapas bacterianas en los diferentes soportes para evaluar su respuesta de impedancia bajo diferentes condiciones. De acuerdo con los resultados alcanzados se ha demostrado que esta técnica es válida para la detección y monitorización del crecimiento microbiano. Como consecuencia del trabajo de un equipo multidisciplinar se ha logrado un primer prototipo de un implante de acceso venoso directo que integra el biosensor junto con una electrónica de control y un sistema de comunicaciones inalámbrico. Este nuevo prototipo tiene la capacidad de detectar y monitorizar el crecimiento de biocapas bacterianas en la cámara reservorio.
Bacterial biofilms are complex three-dimensional structures that are formed by one or more bacterial species and an extracellular matrix which gives unique characteristics to such biosystems. The highly resistance to antimicrobial agents is the most relevant skill of these communities, that makes their elimination extremely difficult. Biofilm development supposes a real problem in a wide variety of environments: food industry, healthcare, oil or water conducts, etc. The early detection of these microbial systems is the key for the effectiveness of treatments in each case. The main goal of this research is the detection of biofilms at the early stages of development and the biofilm growth monitoring under different culturing conditions. This is achieved by measuring the variation of electrical impedance in microbial cultures. This development could be applied in general to any situation where bacterial biofilms represent a problem. In this work the development is focused on healthcare applications. Bacterial biofilms are often the origin of indwelling devices associated infections. These pathologies are hardly treatable as a consequence of the antimicrobial resistance of bacteria and may result in chronic pathology also in patients affected by other diseases. Therefore the goal of this research is the development of a new biosensor for impedance measuring as the target for bacterial detection. The integration of this biosensor within any implantable device should improve the diagnostic of implantable associated infectious processes. Interdigitated microelectrode based biosensor was design and fabricated by means of silicon technologies for this application. Different experimental setups were also developed for bacterial biofilm cultures and impedance measuring. These testing systems allow the generation of reproducible and lifelike environments for in vitro biofilm development. To achieve this challenge the electrical characterization of biosensors and different media was done firstly. Then, a series of trials were performed over the setups for monitoring the biofilm growth under different conditions. According to the obtained results, it can be ensured that this technique is valid for detection of microbes at the first stages of the development. A prototype of a new central venous catheter was fabricated as a result of the work of a multidisciplinary team. This new device integrates a biosensor with its controlling electronics and a wireless communication system. This prototype has the ability to detect and monitor the growth of bacterial biofilms in the reservoir chamber.

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