Magnetisk mikroperleblanding for at fremskynde molekylær testning

I øjeblikket, vi bestræber os på at bremse spredningen af ​​COVID-19. Mens store restriktioner kan hindre virussen, nøjagtige og hurtige diagnostiske tests kan hjælpe sundhedsvæsenet til bedre at overvåge og begrænse virussen. For det, egnede testudstyr er nødvendige, såsom dem, der er baseret på lab-on-chip-teknologier, hvor testprøver blandes med detektionsmolekyler, der binder til virussen og derefter udsender et signal såsom lys. For hendes ph.d. forskning, Sophia E. Shanko undersøgte, hvordan denne bindingsproces kan accelereres ved hjælp af magnetisk partikelblanding, hvilket kan have betydelige konsekvenser for fremtidige diagnostiske testenheder. Shanko forsvarer sit speciale den 10. maj ved Institut for Mekanik.

COVID-19 kender ingen grænser og har spredt sig som en steppebrand gennem lande og kontinenter. Mens samfundsmæssige restriktioner, såsom lockdowns, kan begrænse udbredelsen, Behovet for hurtig diagnostisk test på stedet er fortsat.

"Hurtig test giver mulighed for hurtig identifikation af sager, og levering af hurtige og passende behandlinger til inficerede individer, " siger Sophia Shanko, Ph.D. forsker i forskningsgruppen Mikrosystemer under vejledning af Jaap den Toonder. "Sådanne test ville ikke kun hjælpe med at give folk rettidig behandling, men også informere beslutningstagere, som derefter kan pålægge lokale indeslutningsforanstaltninger. Og sådanne test er ikke kun for COVID-19, de kan bruges til at teste for andre virusinfektioner i fremtiden."

Lab-on-chip enheder

Mange nye og innovative testenheder er baseret på lab-on-chip teknologier. Disse enheder har adskillige fordele, såsom en bred vifte af anvendelighed, lille størrelse, og hurtige analysemuligheder. I disse enheder, en prøve (såsom blod), som skal testes for et målmolekyle (som et antistof, der signalerer tilstedeværelsen af ​​en virus), er blandet med en væske, der indeholder detektionsmolekyler, der kan binde sig til målmolekylet. Hvis målet er til stede, binding med detektionsmolekylet genererer et signal såsom lys.

"Bindingsprocessen i disse enheder skal være hurtig og nøjagtig, og dette kan opnås ved at sikre, at detektionsmolekylerne blandes grundigt med testprøven så hurtigt som muligt, " siger Shanko, som også vandt FameLab TU/e ​​2020, hvor hun fortalte om sin ph.d. forskning. "De meget små dimensioner af lab-on-chip teknologier tillader kun blanding ved molekylær diffusion, den iboende bevægelse af molekyler i en væske på grund af temperatur- og koncentrationsforskelle. Imidlertid, dette er en tidskrævende proces."

SVARMING

De dårlige virkninger af langsom molekylær diffusion kan delvist ophæves ved hjælp af passive eller aktive metoder. For førstnævnte, geometriske strukturer er inkluderet i testanordningen, mens i sidstnævnte, ydre kræfter, som magnetiske kræfter, kan bruges til at ændre flowet på en kontrolleret måde. Sidstnævnte er blevet undersøgt for at producere høje og kontrollerede blandeevner til en relativt lav pris.

I sin forskning, Shanko vendte sig mod magnetiske kræfter for at accelerere molekylær diffusion, og på sin side fremskynde detektionsprocessen ved at øge chancerne for mål-detektionsmolekylebindingshændelser. "At blande magnetiske partikler (eller mikroperler) med testprøverne og detektionsmolekylerne har adskillige fordele. Vi kan styre bevægelsen af ​​disse partikler ved hjælp af eksterne magnetfelter, og det er afgørende, at disse partikler ikke hindrer detektionsydelsen."

Styrken og frekvensen af ​​det eksterne magnetfelt spiller en nøglerolle i at diktere, hvordan mikroperlerne bevæger sig i væsken, hvilket igen påvirker blandingen. "Der er et "sweet spot" for parametrene, der styrer magnetfeltet, hvor mikroperlerne bevæger sig i mønstre som dem, der ses i fuglesværmning. Blanding af perlerne med testprøven fører derefter til hurtigere binding mellem målene og detektionsmolekylerne, og et hurtigere testresultat."

På svampe og mikroflapper

Mikroperlesværmning er et eksempel på dynamisk blanding, men Shanko så også på alternativer til at generere dynamisk blanding, hvor de magnetiske perler styres af eksterne statiske svampeformede magnetiske strukturer for at hjælpe med at fremkalde denne blanding. Det er videnskabeligt meget interessant at se, hvordan de magnetiske perler opfører sig og at observere væskekinetikken, som de, på tur, årsag. "Selvom de svampeformede strukturer kan generere meget høje væskehastigheder, der kan inducere effektiv blanding, de endte med at påvirke den overordnede blandingsproces negativt."

Endelig, Shanko så på inklusion af magnetiske klapper fastgjort til bunden af ​​laboratorie-på-chip-enheder, som blev styret ved hjælp af det eksterne magnetfelt. "Mikroflapperne forbedrer blandingen af ​​detektionsmolekylerne i prøven, men yderligere eksperimenter er nødvendige for bedre at forstå deres effekt."

Tænkende applikationer og fremtiden

Med COVID-19 stadig tæt greb om verden, nøjagtige diagnostiske tests for virussen vil være nødvendige i nogen tid. "Pandemien har vist os, at der er behov for hurtige og effektive diagnostiske tests. Min forskning viser, at detektion af antistofmolekyler i laboratorie-på-chip-enheder kan fremskyndes gennem brug af magnetiske mikroperler og eksterne magnetfelter. Denne teknologi er nødvendig for fremtiden for at hjælpe os med bedre at overvåge tilstedeværelsen og spredningen af ​​udbrud i fremtiden."

Til denne FameLab TU/e-vinder, næste skridt er udviklingen af ​​hendes diagnostiske opstart. Shanko:"Jeg er meget glad for resultatet af min ph.d.-forskning, som er ved at blive oversat til flere videnskabelige artikler. Det er dejligt at se, at magnetisk perlemikroblanding har potentialet til hurtig og høj præcision diagnostik. Selvom min ph.d. D. er ved at være slut, min kærlighed til diagnostik er kun lige i begyndelsen."