Lavpris plastiksensorer kan overvåge en række sundhedstilstande

Et internationalt team af forskere har udviklet en billig sensor lavet af halvledende plastik, der kan bruges til at diagnosticere eller overvåge en lang række sundhedstilstande, såsom kirurgiske komplikationer eller neurodegenerative sygdomme.

Sensoren kan måle mængden af ​​kritiske metabolitter, såsom laktat eller glucose, der er til stede i sved, tårer, spyt eller blod, og, når den er indbygget i en diagnostisk enhed, kunne gøre det muligt at overvåge helbredstilstande hurtigt, billigt og præcist. Den nye enhed har et langt enklere design end eksisterende sensorer, og åbner op for en lang række nye muligheder for helbredsovervågning ned på celleniveau. Resultaterne er rapporteret i journalen Videnskabens fremskridt .

Enheden er udviklet af et team ledet af University of Cambridge og King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) i Saudi-Arabien. Halvledende plast som dem, der bruges i det aktuelle arbejde, udvikles til brug i solceller og fleksibel elektronik, men har endnu ikke set udbredt brug i biologiske applikationer.

"I vores arbejde vi har overvundet mange af begrænsningerne ved konventionelle elektrokemiske biosensorer, der inkorporerer enzymer som sansemateriale, " sagde hovedforfatter Dr. Anna-Maria Pappa, en postdoc-forsker i Cambridges afdeling for kemiteknik og bioteknologi. "I konventionelle biosensorer, kommunikationen mellem sensorens elektrode og følematerialet er ikke særlig effektiv, så det har været nødvendigt at tilføje molekylære ledninger for at lette og 'booste' signalet."

For at bygge deres sensor, Pappa og hendes kolleger brugte en nysyntetiseret polymer udviklet på Imperial College, der fungerer som en molekylær tråd, direkte at acceptere de elektroner, der produceres under elektrokemiske reaktioner. Når materialet kommer i kontakt med en væske som f.eks. sved, tårer eller blod, det absorberer ioner og svulmer, bliver smeltet sammen med væsken. Dette fører til markant højere følsomhed sammenlignet med traditionelle sensorer lavet af metalelektroder.

Derudover når sensorerne er inkorporeret i mere komplekse kredsløb, såsom transistorer, signalet kan forstærkes og reagere på små udsving i metabolitkoncentrationen, på trods af enhedernes lille størrelse.

Indledende test af sensorerne blev brugt til at måle niveauer af laktat, som er nyttig i fitness-applikationer eller til at overvåge patienter efter operation. Imidlertid, ifølge forskerne, sensoren kan let modificeres til at detektere andre metabolitter, såsom glucose eller kolesterol ved at inkorporere det passende enzym, og det koncentrationsområde, som sensoren kan registrere, kan justeres ved at ændre enhedens geometri.

"Det er første gang, det har været muligt at bruge en elektronaccepterende polymer, der kan skræddersyes til at forbedre kommunikationen med enzymerne, som giver mulighed for direkte påvisning af en metabolit:dette har ikke været ligetil indtil nu, " sagde Pappa. "Det åbner op for nye retninger inden for biosensing, hvor materialer kan designes til at interagere med en specifik metabolit, hvilket resulterer i langt mere følsomme og selektive sensorer."

Da sensoren ikke består af metaller som guld eller platin, det kan fremstilles til en lavere pris og kan nemt inkorporeres i fleksible og strækbare underlag, muliggør implementering af dem i bærbare eller implanterbare sensorapplikationer.

"En implanterbar enhed kunne give os mulighed for at overvåge hjernens metaboliske aktivitet i realtid under stressforhold, såsom under eller umiddelbart før et anfald og kan bruges til at forudsige anfald eller til at vurdere behandling, " sagde pappa.

Forskerne planlægger nu at udvikle sensoren til at overvåge metabolisk aktivitet af menneskelige celler i realtid uden for kroppen. Bioelectronic Systems and Technologies-gruppen, hvor Pappa er baseret, er fokuseret på at udvikle modeller, der tæt kan efterligne vores organer, sammen med teknologier, der nøjagtigt kan vurdere dem i realtid. Den udviklede sensorteknologi kan bruges sammen med disse modeller til at teste lægemidlers styrke eller toksicitet.