Desarrollo de un Biosensor Óptico sin Marcaje empleando Hidrogeles con Anillos Deslizantes y Difracción Holográfica | Development of a Label-Free Optical Biosensor Using Hydrogels with Sliding Rings and Holographic Diffraction | Desenvolupament d un Biosensor Òptic sense Marcatge mitjançant Hidrogels amb Anells Lliscants i Difracció Hologràfica

[ES] Los biosensores ópticos label-free (LF) basados en holografía representan una emergente y prometedora tecnología para el diagnóstico biomédico gracias a su gran especificidad, alta sensibilidad, y capacidad de trabajo en entornos complejos sin necesidad de etiquetado. Los sensores holográficos que incorporan redes de difracción generadas en hidrogeles biosensibles, permiten realizar detecciones de manera simple. Esto es posible gracias a las variaciones en la eficiencia de difracción en presencia del analito de interés, debidas a la modificación estructural en el polímero inducida por el propio analito. Sin embargo, su aplicación práctica aún presenta importantes limitaciones, como la estabilidad del patrón holográfico, la necesidad de optimizar la incorporación de biomoléculas de reconocimiento, la homogeneidad del grabado en los hidrogeles y su resistencia mecánica. Para superar la fragilidad y conseguir homogeneidad en el grabado de redes holográficas de volumen (VHGs) en hidrogeles biosensibles, una estrategia innovadora es el uso de materiales con anillos deslizantes. Estos polímeros, basados en arquitecturas de polirotaxanos, conservan la capacidad de los hidrogeles tradicionales para biofuncionalizarse y responder a la presencia de analitos, pero su estructura interconectada y dinámica les confiere una resistencia mecánica excepcional. Esta propiedad no solo facilita el grabado estable de VHGs, crítico para biosensores label-free, sino que también mejora la reproducibilidad y vida útil del dispositivo. La integración de hidrogeles con anillos deslizantes resuelve problemas clave en sensores holográficos, como la deriva del patrón óptico o la deformación durante su uso, acelerando su adopción en aplicaciones clínicas donde la robustez es imprescindible. En este trabajo se desarrolló un biosensor óptico label-free basado en hidrogeles mejorados mediante la tecnología de anillos deslizantes. Para optimizar el rendimiento del biosensor, se evaluaron dos enfoques de biofuncionalización del hidrogel con albúmina sérica bovina (BSA), proteína empleada como modelo de biorreceptor. Por un lado, se estudió la conjugación de la proteína con ciclodextrinas (CD-BSA) y se comparó frente a su inclusión directa en la matriz polimérica. Los materiales se caracterizaron analizando sus propiedades mecánicas y estructurales, mientras que su capacidad de reconocimiento molecular específico se verificó mediante ensayos de fluorescencia con anti-BSA marcada con fluoróforo. Para la detección label-free, como elemento transductor, se grabaron redes de difracción de volumen (VHGs) en los hidrogeles, utilizando un sistema de máscara de fase, estableciendo las bases para su aplicación como plataforma de detección óptica sin marcaje. Este estudio comparativo demuestra cómo la estrategia de incorporación del elemento de reconocimiento (directa frente a conjugada) influye en el comportamiento del biosensor.

[EN] Label-free (LF) optical biosensors based on holography represent an emerging and promising technology for biomedical diagnostics, thanks to their high specificity, excellent sensitivity, and ability to operate in complex environments without the need for labeling. Holographic sensors that incorporate diffraction gratings generated in biosensitive hydrogels enable simple detection. This is possible due to variations in diffraction efficiency in the presence of the target analyte, resulting from structural modifications in the polymer induced by the analyte itself. However, their practical application still faces significant limitations, such as the stability of the holographic pattern, the need to optimize the incorporation of recognition biomolecules, the homogeneity of grating inscription in hydrogels, and their mechanical strength. To overcome fragility and achieve homogeneous inscription of volume holographic gratings (VHGs) in biosensitive hydrogels, an innovative strategy involves the use of materials with sliding rings. These polymers, which adopt polyrotaxane architectures, retain the ability of traditional hydrogels to be biofunctionalized and to respond to the presence of analytes, but their interconnected and dynamic structure provides exceptional mechanical strength. This property not only facilitates the stable inscription of VHGs, which is critical for label-free biosensors, but also improves the device s reproducibility and service life. The integration of hydrogels with sliding rings addresses key issues in holographic sensors, such as optical pattern drift or deformation during use, accelerating their adoption in clinical applications where robustness is essential. In this work, a label-free optical biosensor was developed using hydrogels enhanced with sliding-ring technology. To optimize biosensor performance, two approaches for hydrogel biofunctionalization with bovine serum albumin (BSA), a model bioreceptor protein, were evaluated. On one hand, the conjugation of the protein with cyclodextrins (CD-BSA) was studied and compared to its direct incorporation into the polymer matrix. The materials were characterized by analyzing their mechanical and structural properties, while their specific molecular recognition capability was verified through fluorescence assays using fluorophore-labeled anti-BSA. For label-free detection, volume holographic gratings (VHGs) were inscribed into the hydrogels using a phase mask system, establishing the foundation for their application as an optical label-free detection platform. This comparative study demonstrates how the biofunctionalization strategy (direct versus conjugated incorporation) influences the biosensor s performance.

Ruiz Picó, B. (2025). Desarrollo de un Biosensor Óptico sin Marcaje empleando Hidrogeles con Anillos Deslizantes y Difracción Holográfica. https://riunet.upv.es/handle/10251/223897

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