Diseño y evaluación de un biosensor basado en resonadores de cristal de cuarzo (QCR) para caracterizar muestras biológicas relacionadas con enfermedades artríticas

Los resonadores de cristal de cuarzo son dispositivos ampliamente utilizados como biosensores debido a su alta sensibilidad ante fenómenos físico-químicos que ocurren en su superficie, a la reproducibilidad de las mediciones y por ser transductores fáciles de utilizar. Sauerbrey[1] fue el primero en demostrar que el resonador cristal de cuarzo puede ser utilizado como una microbalanza útil para caracterizar pequeñas deposiciones de masa en el electrodo del cristal. Sauerbrey demostró que, si se deposita una delgada capa de material rígido sobre el cristal de cuarzo, tanto el cristal como el material depositado vibrarán a la misma frecuencia y se generará un cambio en la frecuencia de resonancia inicial del cristal. Específicamente, la frecuencia de resonancia disminuye al aumentar la cantidad de masa depositada. El cristal de cuarzo también puede operar en medio fluidos. En este caso además del desplazamiento en frecuencia del cristal, se genera una pérdida significativa en el factor de calidad del resonador. Para fluidos Newtonianos (viscosidad constante), Kanazawa y Gordon[2] demostraron que el desplazamiento en frecuencia que sufre el resonador así como el cambio en el ancho de la curva de admitancia, depende de la densidad y la viscosidad del líquido. Este fenómeno permite utilizar los resonadores de cristal de cuarzo como pequeños viscosímetros siempre que se conozca la densidad del fluido a analizar. En el caso de deposición de fluidos viscoelásticos, la medición del cambio en la frecuencia de resonancia del cristal no es suficiente para obtener el valor de viscosidad del fluido. Por tanto, se requiere de la medición de una segunda variable (mitad del ancho de media banda - Γ) para obtener el valor correcto de la viscosidad del fluido depositado.[3] Para fluidos pseudoplásticos (viscosidad aparente dependiente de la velocidad de cizallamiento aplicada), se requiere de un modelo matemático que explique el comportamiento de la viscosidad del fluido a distintas velocidades de cizallamiento. En particular para el análisis de muestras con este comportamiento, se ha elegido el modelo Rouse ya que explica con suficiente detalle el comportamiento pseudoplástico y resulta simple de aplicar a las medidas experimentales. En este trabajo se propone el diseño de un biosensor basado en un resonador de cristal de cuarzo (QCR) para la caracterización de muestras biológicas que emulan el comportamiento del líquido sinovial. El líquido sinovial es una mezcla de plasma dializado y ácido hialurónico con comportamiento pseudoplástico. Su principal función es la de actuar como lubricante en las articulaciones manteniendo al mínimo la fricción entre los huesos, especialmente durante el movimiento. [4–7] La disminución del ácido hialurónico en el líquido sinovial se ha relacionado con enfermedades artríticas ya que las propiedades lubricantes del líquido sinovial dependen de su viscosidad y, al mismo tiempo, esta viscosidad depende de la concentración de ácido hialurónico en el fluido sinovial. [4–8] Está ampliamente documentada la relación que existe entre los cambios de viscosidad del líquido sinovial y las afecciones articulares.[4–13] Con base en la relación existente entre la concentración de ácido hialurónico y las enfermedades artríticas, el análisis del líquido sinovial puede aportar información fundamental para el diagnóstico y tratamiento de estas alteraciones en las articulaciones. Con base en lo anterior, la aplicación biomédica propuesta tiene como finalidad aportar a la diagnosis de enfermedades artríticas tal como la osteoartritis y artritis reumatoide analizando la viscosidad del fluido sinovial. Debido a que este es un trabajo preliminar, se utilizan muestras que emulan el comportamiento del fluido sinovial y no muestras clínicas. ABSTRACT Quartz crystal resonator is widely used as biosensor device due to its high sensitivity to physicochemical phenomena occurring on its electrode surface, the reproducibility of its measures and its easy use. Sauerbrey[1] was the first to show that the quartz crystal resonator can be used as a microbalance useful for characterizing small layers of mass deposited on the crystal electrode. Sauerbrey observed that if a thin layer of rigid material is deposited on the quartz crystal, the crystal and the deposited material will vibrate at the same frequency generating a change in the initial resonance frequency of the crystal. Specifically, the resonance frequency decreases when increases the deposited mass. The quartz crystal can also operate in fluid medium. In this case, in addition to the frequency shift of the crystal, there is a significant loss in the quality factor of the resonator. For Newtonian fluids (constant viscosity), Kanazawa and Gordon [2] note that the frequency shift and the change in the quality factor of the crystal, depends on the density and viscosity of the liquid deposited. This phenomenon allows to use quartz crystal resonators as small viscometers. The density of the fluid to be analyzed must be known. For deposition of viscoelastic fluids, the measure of resonance frequency shift is not sufficient to obtain the fluid viscosity value. Therefore, it is necessary to measure a second variable (the half band half width - Γ) to obtain the correct value of viscosity of the deposited fluid [3]. For pseudoplastic fluids (apparent viscosity dependent of the shear rate applied), it is necessary a mathematical model to explain the behavior of the fluid viscosity at different shear rates. In particular, for the analysis of samples with pseudoplastic behavior, Rouse model has been chosen because it explains in sufficient detail the pseudoplastic behavior and is simple to apply to the experimental measurements. In this work, the design of a biosensor based on a quartz crystal resonator (QCR) for viscometric characterization of biological samples emulating the behavior of the synovial fluid is proposed. Synovial fluid is a mixture of plasma and hyaluronic acid dialysate with pseudoplastic behavior. Its main function is to act as a lubricant in joints keeping to a minimum the friction between the bones, especially during movement [4–7]. The decrease of the hyaluronic acid in the synovial fluid has been associated with arthritic disease since the lubricating properties of synovial fluid depend on its viscosity and the same time, this viscosity depends on the concentration of hyaluronic acid in the sample. [4–8] It is widely documented the relationship between changes in viscosity of the synovial fluid and joint conditions [4–13]. Based on this relationship between hyaluronic acid and some arthritic diseases, the synovial fluid analysis can contribute fundamental information to diagnosis and treatments for joint diseases. Based on the above, the biomedical application proposed is intended to provide the QCR’s as an additional tool for the diagnosis of arthritic diseases such as osteoarthritis and rheumatoid arthritis analyzing synovial fluid viscosity. Because this is a preliminary work, hyaluronic acid dilutions are used in order to emulate the behavior of synovial fluid