Biosensorer kræver robust antifouling-beskyttelse

Nogle lovende biosensorer og medicinsk udstyr fungerer godt i uberørte laboratoriemiljøer. Imidlertid, de er tilbøjelige til at stoppe med at arbejde med at levere medicinsk behandling eller overvåge kroniske helbredsproblemer, når de først er blevet udsat for de virkelige forhold med komplekse biologiske væsker.

Et tykt lag af foulants vil hurtigt dække biosensorer, og der er ingen god måde at genoplive dem på, når de først holder op med at arbejde. I det væsentlige, en biosensor er kun så god som dens antifouling-egenskaber.

I APL materialer , Aleksandr Noy og Xi Chen, fra Lawrence Livermore National Laboratory, gennemgå en række forskellige metoder udviklet til at bekæmpe begroning. Disse tilgange omfatter fysiske barrierer, kemiske behandlinger, nonstick overflader, og selektive membranlignende belægninger, der danner "porte" for kun at tillade visse arter at nå en sensors arbejdsflade.

"Der er et helt univers af meget kloge og ret effektive tilgange til at beskytte biosensorer mod tilsmudsning, " sagde Noy. "Forskere har deres valg af den teknologi, de kan skræddersy til den særlige type sensor, de ønsker at designe."

Men på trods af alle disse fremskridt, Noy og Chen påpeger, at tilsmudsning fortsat er et genstridigt problem, der stadig kan ødelægge en god biosensor.

"Yderligere udvikling er nødvendig for at øge vores arsenal af robuste antifouling-beskyttelsesmetoder, " sagde Noy.

Tilsmudsning sker i en fire-trins proces. Først, overflader bliver straks belagt med et lille lag molekyler. Sekund, dette lag bliver dækket af hovedlaget af begroning. Tredje, den tilsmudsede overflade begynder at vokse biofilm. Fjerde, biofilmen udvikler sig til makrobegroning, som normalt sker inden for dage eller uger.

Målet er at undertrykke den indledende vedhæftning af molekyler, fordi det er utrolig svært at fjerne biofilm, når først de er dannet.

Et eksempel på antifouling-beskyttelse, baseret på Noys eget arbejde, er en pH-sensor med siliciumnanowire-transistorer, der er beskyttet af en fosfolipidmembran med carbon-nanorør-porer indlejret i membranen.

"Silicon nanotråde er elegante, lille, og effektive pH-sensorer, der giver ligetil elektrisk signal, der moduleres af opløsningens pH, sagde han. Desværre, hver gang de kommer i kontakt med et ægte biologisk medium, spoler de til og holder op med at fungere."

For at komme uden om dette, hans tilgang dækker sensorerne med en lipidmembran for at give en meget robust proteinbegroningsbeskyttelsesbarriere.

"For at tillade protoner at passere gennem denne barriere, vi indlejrede bittesmå carbon nanorørporer i membranen, " sagde Noy. "Disse porer er tilfældigvis den mest effektive protonledende kanal, man kender, så de giver en ideel kanal til at sende protoner hen over den beskyttende barriere."

Sensorer beskyttet på denne måde "kan modstå tre dages eksponering for proteinopløsninger, mælk, og endda blodplasma og stadig måle pH ret godt, " han sagde.