Selvdrevne papirbaserede SPED'er kan føre til nye medicinsk-diagnostiske værktøjer

En ny medicinsk-diagnostisk enhed lavet af papir detekterer biomarkører og identificerer sygdomme ved at udføre elektrokemiske analyser - kun drevet af brugerens berøring - og udlæser de farvekodede testresultater, gør det nemt for ikke-eksperter at forstå.

"Du kunne betragte dette som et bærbart laboratorium, der bare er fuldstændig lavet af papir, er billig og kan bortskaffes ved forbrænding, " sagde Ramses V. Martinez, en assisterende professor i industriel og biomedicinsk teknik ved Purdue University. "Vi håber, at disse enheder vil tjene utrænede mennesker i fjerntliggende landsbyer eller militærbaser for at teste for en række sygdomme uden at kræve nogen kilde til elektricitet, rent vand, eller ekstra udstyr."

Den selvdrevne, papirbaserede elektrokemiske anordninger, eller SPED'er, er designet til følsom diagnostik på "point-of-care", " eller når pleje leveres til patienter, i regioner, hvor offentligheden har begrænset adgang til ressourcer eller sofistikeret medicinsk udstyr.

"SPED'er er billige, letvægts, Fleksibel og nem at bruge, " sagde Martinez.

Forskningsresultater er detaljerede i et papir, der udkommer den 22. august i Avancerede materialeteknologier .

Testen påbegyndes ved at placere et nålestik af blod i en cirkulær funktion på enheden, som er mindre end to tommer kvadratisk. SPED'er indeholder også "selvpipetterende testzoner", som kan dyppes i en prøve i stedet for at bruge en fingerstikstest.

Det øverste lag af SPED'en er fremstillet ved hjælp af ubehandlet cellulosepapir med mønstrede hydrofobe "domæner", der definerer kanaler, der opsuger blodprøver til testning. Disse "mikroudiske kanaler" muliggør nøjagtige analyser, der skifter farve for at indikere specifikke testresultater. En maskin-vision diagnostisk applikation blev også oprettet til automatisk at identificere og kvantificere hver af disse "kolorimetriske" test fra et digitalt billede af SPED, måske taget med en mobiltelefon, for at give hurtige diagnostiske resultater til brugeren og for at lette ekstern konsultation af eksperter.

Det nederste lag af SPED er en "triboelektrisk generator, " eller TEG, som genererer den elektriske strøm, der er nødvendig for at køre den diagnostiske test blot ved at gnide eller trykke på den. Forskerne designet også en billig håndholdt enhed kaldet en potentiostat, som nemt sættes i SPED'en for at automatisere de diagnostiske tests, så de kan udføres af utrænede brugere. Batteriet, der driver potentiostaten, kan genoplades ved hjælp af TEG, der er indbygget i SPED'erne.

"Så vidt vi ved, dette værk rapporterer den første selvdrevne, papirbaserede enheder, der er i stand til at udføre hurtige, nøjagtig, og følsomme elektrokemiske analyser i kombination med en billig, bærbar potentiostat, der kan genoplades ved hjælp af en papirbaseret TEG, " sagde Martinez.

Han var medforfatter til papiret sammen med kandidatstuderende Aniket Pal og Debkalpa Goswami; besøgende lærde Hugo E. Cuellar og Heloisa F. N. Caurin; og Randy Kuang, en gymnasieelev, der deltog i forskningen.

Forskningspapiret beskriver SPED'erne, den bærbare potentiostat og en maskinsynsalgoritme, der er i stand til at genkende den farvekodede information. Papiret er tilgængeligt online på http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.201700130/full. SPED'er er kompatible med masseudskrivningsteknologier, såsom rulle-til-rulle-udskrivning eller sprøjteaflejring. De kan udføre "multipleksede" analyser, der muliggør den meget følsomme og nøjagtige detektion

af forskellige mål for en række point-of-care testapplikationer. Og de kan bruges til at drive andre elektroniske enheder for at lette telemedicinske applikationer i ressourcebegrænsede indstillinger.

SPED'erne blev brugt til at detektere biomarkører såsom glucose, urinsyre og L-lactat, ketoner, og hvide blodlegemer, som indikerer faktorer relateret til lever- og nyrefunktion, underernæring og anæmi. Fremtidige versioner af teknologien vil indeholde flere yderligere lag til mere komplekse analyser til at opdage sygdomme som denguefeber, gul feber, malaria, HIV og hepatitis, sagde Martinez.