Ny implanterbar sensor opsnuser mulige signaler om slidgigt

Hvis røg indikerer en brand, signalerer nitrogenoxid betændelse. Den kemiske mediator fremmer betændelse, men forskere har mistanke om, at den kan gøre sit arbejde for godt efter brud på forreste korsbånd (ACL) og relaterede skader og initierer tidligt opstået slidgigt. Typisk diagnosticeres den degenerative sygdom kun efter progressive symptomer, men den kunne potentielt identificeres meget tidligere gennem nitrogenoxidmonitorering, ifølge Huanyu "Larry" Cheng, James E. Henderson Jr. Memorial Associate Professor of Engineering Science and Mechanics ved Penn State .

Cheng og hans elev, Shangbin Liu, som tog en mastergrad i ingeniørvidenskab og mekanik ved Penn State i år, samarbejdede med forskere baseret i Kina for at udvikle en fleksibel biosensor, der er i stand til kontinuerlig og trådløs nitrogenoxiddetektion hos kaniner. De offentliggjorde deres tilgang i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Realtidsvurdering af biomarkører forbundet med inflammation, såsom nitrogenoxid i ledhulen, kunne indikere patologisk udvikling ved den indledende udvikling af slidgigt, hvilket giver væsentlig information til at optimere behandlinger efter traumatisk knæskade," sagde Cheng.

Udfordringen er ifølge Cheng, at detektion af nitrogenoxid kræver meget følsomme og stabile elektrokemiske sensorer, der også er fleksible og biokompatible, så den geografiske oprindelse af nitrogenoxiden kan kortlægges præcist. Tilsvarende forfatter Lan Yin, lektor ved School of Materials Science and Engineering ved Tsinghua University i Kina, førte tidligere udviklingen af ​​en fleksibel, nitrogenoxidfølsom elektrokemisk sensor, men den var afhængig af en elektrodekonfiguration, der begrænsede dens muligheder.

"Det begrænsede overfladeareal gjorde det udfordrende samtidig at opnå både høj følsomhed og høj rumlig opløsning," sagde Yin, hvilket betyder, at enheden muligvis er i stand til at detektere nitrogenoxid, men måske ikke er i stand til at lokalisere præcis, hvor den stammer fra, så det var det ikke klart, hvis signalet var relateret til skadestedet eller omgivende væv. "Rekalibrering var også påkrævet med jævne mellemrum for at sikre ønskelig nøjagtighed."

Forskerne vendte sig mod den potentielle løsning af fleksible og biokompatible organiske elektrokemiske transistorer (OECT'er), som kan bruge spænding og strømme til at identificere og forstærke signaler. Selv små ionkoncentrationer kan detekteres og forstærkes, når de først oxiderer på gate-elektroden og driver ioner af elektrolytten ind i enhedens kanal; kanalen er dog lavet af en polymer, kendt som PEDOT:PSS, der ofte fungerer ved en anden gate-spænding end nitrogenoxid.

"Vi indstillede kanalgeometrien og gatematerialerne for at tilpasse, hvordan de elektrokemiske nitrogenoxidsignaler kommer ind i kanalen, og hvordan enheden detekterer dem, hvilket optimerer sansningsevnerne," sagde Cheng. "Den referencefri sensor med et miniaturiseret aktivt sensingsområde muliggør detektion af nitrogenoxid med forbedret rumlig opløsning sammenlignet med tidligere rapporterede elektrokemiske nitrogenoxidsensorer, som kunne tillade kortlægning af elektrokemiske signaler for at tilbyde omfattende diagnostisk information."

Forskerne integrerede sensorerne med et tilpasset kredsløbsmodul, hvilket resulterede i en enhed, der kontinuerligt og trådløst overvåger nitrogenoxidniveauer, som overføres via Bluetooth til en mobiltelefon-app. For at teste designet implanterede forskerne enhederne i kaniner. I løbet af otte dage fandt forskerne ud af, at enhederne med succes opdagede nitrogenoxidkoncentrationer.

"Resultaterne indikerer, at tidlige tegn på høje nitrogenoxidkoncentrationer kan korreleres med betændelse og bruskdegeneration på et senere stadium, hvilket potentielt kan tilbyde væsentlig information til at evaluere progressionen til slidgigt efter ACL-skade og optimere posttraumatiske behandlinger," sagde Cheng.

Forskerne planlægger at fortsætte med at undersøge sammenhængen mellem nitrogenoxidkoncentrationer og slidgigt og at forfine sensorteknologien, ifølge Cheng.

"Samlet set kan de foreslåede materialemuligheder og enhedsdesign tilbyde et kritisk ingeniørmæssigt grundlag for afkodning af sundhedstilstande på et tidligt stadium og maksimering af terapeutiske resultater af tilhørende degeneration og lidelser," sagde Yin. + Udforsk yderligere

Forskere bruger nitrogenoxid-'scavengers' til at målrette mod triple-negativ brystkræft