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Oxygen plasma-engineered resin–carbon interfaces in 3D-printed hollow microneedle electrodes for IL-6 detection

Este estudio presenta un electrodo de carbono de microagujas huecas impreso en 3D y modificado mediante plasma de oxígeno, que mejora significativamente la electroquímica de interfaz para permitir la detección impedimétrica sensible, sin marcadores y estable de IL-6 en fluidos biológicos complejos.

Autores originales: Rafael C. Otoni, Leandro T. Kochi, Ana Cristina H. Castro-Kochi, Ana Carola D. L. V. Reis, Fabíola L. de Castro, Ana Alice Zaneli, Wendel A. Alves

Publicado 2026-10-16

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CC BY 4.0

Autores originales: Rafael C. Otoni, Leandro T. Kochi, Ana Cristina H. Castro-Kochi, Ana Carola D. L. V. Reis, Fabíola L. de Castro, Ana Alice Zaneli, Wendel A. Alves

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

El cuerpo humano es una compleja red de señales, que se comunican constantemente a través de diminutos mensajeros químicos que viajan por los fluidos justo debajo de la piel. Entre estos mensajeros se encuentran las proteínas llamadas citocinas, que actúan como campanas de alarma durante la inflamación o la infección. Una de estas proteínas, la interleucina-6, o IL-6, es particularmente importante porque sus niveles aumentan bruscamente cuando el cuerpo está bajo un estrés severo, como en el caso de la sepsis. Para comprender lo que sucede dentro de un paciente, los médicos a menudo necesitan medir estos niveles, pero el método tradicional implica extraer sangre, un proceso que puede ser invasivo, doloroso y difícil de realizar de forma continua. Los científicos han buscado durante mucho tiempo una forma más suave de acceder a estas señales, mirando hacia el líquido intersticial que baña nuestras células. Este fluido contiene las mismas pistas químicas que la sangre, pero es más fácil de alcanzar si uno puede sortear la dura capa exterior de la piel sin causar daños. El desafío ha sido crear una herramienta que pueda perforar esta barrera, recolectar una muestra y medir una proteína específica con alta precisión, todo ello mientras se mantiene lo suficientemente pequeña para ser cómoda y lo suficientemente simple para ser fabricada de manera confiable.

Un equipo de investigadores de la Universidad Federal de ABC en Brasil ha desarrollado un nuevo dispositivo que reúne estas capacidades en una única estructura integrada. Crearon un parche de diminutas agujas huecas, cada una de solo 1,5 milímetros de altura, que se imprimen mediante una técnica de impresión 3D de alta resolución conocida como estereolitografía. A diferencia de los diseños anteriores donde la aguja era solo un tubo para transportar el fluido a un sensor separado, estas agujas son el sensor en sí mismo. Los investigadores llenaron los canales huecos dentro de cada aguja con una pasta de carbono conductora, convirtiendo todo el conjunto de agujas en una interfaz eléctrica funcional. Este diseño permite que el dispositivo penetre la piel y detecte sustancias químicas directamente en el punto de entrada, eliminando la necesidad de tubos complejos o bombas externas. Sin embargo, el simple hecho de llenar la aguja con carbono no fue suficiente; el límite donde la pasta de carbono se encuentra con la resina plástica de la aguja era inicialmente demasiado resistente al flujo eléctrico, lo que dificultaba la obtención de una lectura clara.

Para resolver esto, el equipo trató la superficie de las agujas con plasma de oxígeno, un proceso que utiliza gas ionizado para alterar la naturaleza química de la superficie sin dañar la delicada estructura. Este tratamiento actuó como una llave, desbloqueando la interfaz entre el carbono y la resina. Antes del tratamiento, el agua se agrupa en gotas sobre la superficie, lo que indica que es algo repelente al agua. Después de la exposición al plasma, el agua se extiende instantáneamente, mostrando que la superficie se ha vuelto altamente receptiva a los líquidos. Este cambio es crucial porque el dispositivo necesita ser humedecido por los fluidos corporales para funcionar. Los investigadores descubrieron que este simple paso mejoró drásticamente el flujo de electricidad a través de la interfaz, reduciendo la resistencia hasta el punto en que el dispositivo podía comunicarse eficazmente con el fluido circundante. Confirmaron esto midiendo la facilidad con la que los electrones se movían a través de la superficie, encontrando que la velocidad de este movimiento se duplicó con creces después del tratamiento.

Con la vía eléctrica optimizada, el equipo probó la capacidad del dispositivo para detectar la IL-6. Recubrieron la superficie de las agujas con anticuerpos diseñados específicamente para capturar la proteína IL-6. Cuando el dispositivo encuentra la proteína, los anticuerpos se unen a ella, creando una barrera física que cambia la resistencia eléctrica de la aguja. Los investigadores observaron que este cambio en la resistencia estaba directamente relacionado con la cantidad de IL-6 presente, lo que permitió medir concentraciones que van desde 0,5 hasta 7,5 nanogramos por mililitro. El dispositivo fue altamente específico, mostrando una respuesta a la IL-6 aproximadamente cuatro veces más fuerte que su respuesta a otras proteínas similares como el TNF-alfa o el interferón-gamma, demostrando que podía distinguir su objetivo del ruido de fondo. La cantidad más baja de IL-6 que pudo detectar de manera confiable fue de 0,178 nanogramos por mililitro, un nivel con la sensibilidad suficiente para captar los picos significativos de inflamación observados en condiciones médicas graves.

La practicidad del dispositivo fue probada más a fondo mediante la simulación de condiciones del mundo real. Los investigadores colocaron las agujas en un fluido que imita la composición del líquido intersticial humano y, posteriormente, en plasma sanguíneo humano diluido. En ambos casos, el dispositivo mantuvo su capacidad para detectar la proteína, aunque el entorno complejo del plasma sanguíneo causó una ligera reducción en la fuerza de la señal en concentraciones más altas. Esto sugiere que, si bien el dispositivo funciona bien en mezclas biológicas complejas, la composición específica de la muestra puede influir en la lectura. El equipo también comprobó cuánto tiempo duraría el dispositivo si se almacenara para su uso posterior. Tras mantener los sensores en un refrigerador durante 40 días, descubrieron que el dispositivo conservaba aproximadamente el 91 por ciento de su sensibilidad original, lo que indica que los anticuerpos y la interfaz permanecieron estables con el tiempo.

Este trabajo demuestra que es posible construir un sensor médico sofisticado utilizando un diseño simple e integrado donde la aguja y el electrodo son uno y el mismo. Al combinar la impresión 3D con un tratamiento de superficie dirigido, los investigadores crearon una plataforma mecánicamente lo suficientemente fuerte como para perforar la piel, eléctricamente lo suficientemente sensible como para detectar cambios diminutos en los niveles de proteínas, y químicamente ajustada para interactuar con los fluidos del cuerpo. Aunque el dispositivo aún no es un producto comercial, los resultados muestran un camino claro hacia herramientas mínimamente invasivas que algún día podrían permitir el monitoreo continuo y sin dolor de la inflamación, ofreciendo una nueva forma de observar las alarmas internas del cuerpo sin la necesidad de extracciones de sangre repetidas.

Resumen Técnico: Interfaz Resina–Carbono Modificada por Plasma de Oxígeno en Microagujas Huecas Impresas en 3D para la Detección de IL-6

Planteamiento del Problema
El acceso mínimamente invasivo al líquido intersticial (LIS) es fundamental para el diagnóstico descentralizado y la monitorización de la salud mediante dispositivos portátiles. Si bien los sistemas basados en microagujas ofrecen una estrategia para penetrar el estrato córneo sin alcanzar regiones vascularizadas o altamente inervadas, las tecnologías actuales enfrentan limitaciones. Muchos sistemas de microagujas huecas dependen del transporte pasivo de fluidos hacia transductores electroquímicos externos o espacialmente separados, lo que aumenta la complejidad del dispositivo e introduce volúmenes muertos. Además, la detección basada en afinidad de proteínas de baja abundancia, como las citocinas inflamatorias, requiere interfaces de electrodos que sean altamente accesibles, estables y reproducibles. Los electrodos existentes basados en resina impresos en 3D suelen sufrir de una accesibilidad electroquímica limitada debido a las capas poliméricas aislantes que cubren los rellenos conductores, lo que requiere estrategias de activación superficial que no comprometan la delicada integridad mecánica de las estructuras de las microagujas.

Metodología
El estudio reporta el desarrollo de un electrodo de microagujas huecas (HMNE, por sus siglas en inglés) fabricado mediante estereolitografía (SLA) e integrado con una interfaz de pasta de carbono.

Fabricación: Se imprimió un modelo CAD que presenta 14 microagujas cónicas (1.5 mm de altura, 1.0 mm de diámetro de base, 0.5 mm de canal interno) utilizando resinas fotopoliméricas Clear V4/V4.1. Los microcanales internos se rellenaron con una pasta de carbono (polvo de grafito y aglutinante de esmalte de uñas) para crear una vía conductora continua desde los pads de contacto hasta las puntas de las agujas. Se utilizó una tinta de plata/cloruro de plata (Ag/AgCl) modificada para el electrodo de referencia.
Ingeniería de Superficie: Para modular la interfaz resina–carbono, los dispositivos se sometieron a un tratamiento de plasma de oxígeno (30% de potencia, 10 min). Este paso fue diseñado para mejorar la humectabilidad superficial y modificar la química interfacial sin una eliminación extensiva del material base.
Caracterización: Los dispositivos se evaluaron mediante microscopía óptica y electrónica de barrido (SEM) para la morfología, reometría para las fuerzas de inserción mecánica y tomografía de coherencia óptica (OCT) para la visualización de la penetración en la piel. El rendimiento electroquímico se evaluó mediante voltamperometría cíclica (CV) y espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS) utilizando sondas redox ([Fe(CN)₆]³⁻/⁴⁻ y [Ru(NH₃)₆]³⁺/²⁺), dopamina y ácido ascórbico. Se empleó espectroscopía Raman para analizar los cambios estructurales.
Aplicación de Biosensado: Los HMNE tratados con plasma fueron funcionalizados con anticuerpos anti-IL-6 para la detección libre de etiquetas mediante impedancia. La selectividad se probó frente a TNF-α, IFN-γ e IL-17. El rendimiento se evaluó en buffer, LIS simulado y plasma humano diluido, monitoreando la estabilidad durante 40 días a 4 °C.

Contribuciones Clave

Arquitectura de Electrodo 3D Integrada: El trabajo demuestra un método para convertir un andamio de resina hueco impreso en 3D en un sensor electroquímico funcional mediante el llenado de los canales internos con pasta de carbono, eliminando la necesidad de conexiones fluídicas externas o transductores separados.
Interfaz Modificada por Plasma: El estudio identifica el tratamiento con plasma de oxígeno como un paso crítico para optimizar las interfaces resina–carbono. Mejora significativamente la humectabilidad y la cinética de transferencia de electrones sin destruir la geometría de la microaguja.
Validación Mecánica y Electroquímica: La investigación proporciona datos que confirman que el llenado con carbono aumenta la rigidez mecánica de las microagujas huecas (aumentando la resistencia a la inserción), mientras que el tratamiento con plasma reduce drásticamente la resistencia de transferencia de carga.
Plataforma de Detección de Citocinas: La plataforma logra con éxito la detección selectiva y dependiente de la concentración de la Interleucina-6 (IL-6) en matrices complejas, demostrando la viabilidad de las microagujas huecas de resina–carbono para el biosensado basado en afinidad.

Resultos

Propiedades Físicas y Mecánicas: Los dispositivos impresos en 3D mantuvieron su integridad estructural tras el llenado con carbono. Las pruebas de inserción en Parafilm mostraron que las microagujas rellenas con carbono exhibían una mayor rigidez (45.9 ± 1.3 N mm⁻¹) en comparación con las no rellenas (41.5 ± 1.8 N mm⁻¹) y soportaron cargas de hasta 50 N sin fallos catastróficos. La OCT confirmó la penetración a través de ocho capas del sustrato que simula la piel.
Modificación de la Interfaz: El tratamiento con plasma de oxígeno redujo el ángulo de contacto del agua de 79.4° a 15.7°, indicando una transición hacia una superficie altamente hidrofílica. Electroquímicamente, la resistencia de transferencia de carga aparente ( $R_{ct}$ ) disminuyó de ~120 kΩ a ~32 kΩ. La constante de velocidad de transferencia de electrones heterogénea ( $k^0$ ) aumentó de $1.26 \times 10^{-3}$ a $2.62 \times 10^{-3}$ cm s⁻¹.
Respuesta Dependiente de la Sonda: El tratamiento con plasma mejoró la respuesta a [Fe(CN)₆]³⁻/⁴⁻ y dopamina, pero suprimió la respuesta al ácido ascórbico. Esto sugiere que el tratamiento alteró el entorno químico local (introduciendo cargas negativas) y mejoró la humectación, afectando a los analitos de manera distinta según sus mecanismos de carga e interacción. La espectroscopía Raman confirmó que estos cambios ocurrieron en la interfaz sin una transformación estructural extensa de las fases de resina o carbono.
Rendimiento de Inmunosensado: El HMNE funcionalizado con anti-IL-6 mostró una respuesta cuatro veces mayor a la IL-6 en comparación con los interferentes (TNF-α, IFN-γ, IL-17). El sensor exhibió un rango de respuesta lineal de 0.5 a 7.5 ng mL⁻¹ con un límite de detección (LOD) de 0.178 ng mL⁻¹.
Matriz y Estabilidad: El sensor mantuvo su rendimiento en LIS simulado. En plasma humano diluido (1:100), mostró una alta recuperación de señal (95.84% a 0.5 ng mL⁻¹), aunque la recuperación disminuyó a 76.75% a 2.5 ng mL⁻¹, lo que indica efectos de matriz. El dispositivo retuvo aproximadamente el 91% de su señal inicial tras 40 días de almacenamiento a 4 °C.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este trabajo demuestra el potencial de las microagujas huecas de resina–carbono modificadas con plasma de oxígeno como interfaces tridimensionales integradas para el biosensado de citocinas de forma mínimamente invasiva. La principal significancia radica en la combinación de integración estructural, simplicidad de fabricación y capacidad de ajuste de la interfaz dentro de una sola arquitectura. Aunque el límite de detección (0.178 ng mL⁻¹) es superior al de algunos sensores basados en nanomateriales altamente diseñados, la plataforma ofrece una ruta de fabricación comparativamente simple que evita la microfabricación compleja o la deposición extensiva de nanomateriales. El estudio concluye que este enfoque proporciona una estrategia adaptable para el biosensado basado en afinidad, adecuada para la detección de biomarcadores inflamatorios en rangos clínicamente relevantes, como los encontrados en condiciones inflamatorias sistémicas graves.

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