Virussen uit de lucht halen: de voortdurende zoektocht naar functionele biosensoren

De toekomst zou draagbare en draagbare sensoren kunnen bevatten voor het detecteren van virussen en bacteriën in de omgeving. Maar we zijn er nog niet. Wetenschappers van de Tohoku University bestuderen al decennia lang materialen die mechanisch kunnen veranderen in elektrische of magnetische energie, en vice versa. Samen met collega’s publiceerden ze een recensie in het tijdschrift Geavanceerde materialen over de meest recente pogingen om deze materialen te gebruiken om functionele biosensoren te fabriceren.

“Onderzoek naar het verbeteren van de prestaties van virussensoren is de afgelopen jaren niet veel gevorderd”, zegt Fumio Narita, materiaalingenieur van de Tohoku University. “Onze review is bedoeld om jonge onderzoekers en afgestudeerde studenten te helpen de laatste vorderingen te begrijpen om hun toekomstige werk ter verbetering van de gevoeligheid van de virussensor te sturen.”

Piëzo-elektrische materialen zetten mechanische om in elektrische energie. Antilichamen die een interactie aangaan met een specifiek virus, kunnen op een elektrode worden geplaatst die op een piëzo-elektrisch materiaal is ingebouwd. Wanneer het doelvirus interageert met de antilichamen, veroorzaakt het een toename in massa waardoor de frequentie van de elektrische stroom die door het materiaal beweegt, afneemt, wat de aanwezigheid ervan aangeeft. Dit type sensor wordt onderzocht om verschillende virussen te detecteren, waaronder het baarmoederhalskanker veroorzakende humaan papillomavirus, hiv, influenza A, ebola en hepatitis B.

Magnetostrictieve materialen zetten mechanische energie om in magnetische energie en vice versa. Deze zijn onderzocht voor het detecteren van bacteriële infecties, zoals tyfus en varkenspest, en voor het detecteren van miltvuursporen. Onderzoekende antilichamen worden gefixeerd op een biosensorchip die op het magnetostrictieve materiaal is geplaatst en vervolgens wordt een magnetisch veld aangelegd. Als het beoogde antigeen een interactie aangaat met de antilichamen, voegt het massa toe aan het materiaal, wat leidt tot een magnetische fluxverandering die kan worden gedetecteerd met behulp van een detectiespoel.

Narita zegt dat ontwikkelingen in kunstmatige intelligentie en simulatiestudies kunnen helpen om nog gevoeliger piëzo-elektrische en magnetostrictieve materialen te vinden voor het detecteren van virussen en andere pathogenen. Toekomstige materialen kunnen coilless, draadloos en zacht zijn, waardoor ze in stoffen en gebouwen kunnen worden verwerkt.

Wetenschappers onderzoeken zelfs hoe ze deze en soortgelijke materialen kunnen gebruiken om SARS-CoV-2, het virus dat COVID-19 veroorzaakt, in de lucht te detecteren. Dit soort sensoren zou bijvoorbeeld in ondergrondse transportventilatiesystemen kunnen worden ingebouwd om de verspreiding van virussen in realtime te volgen. Draagbare sensoren kunnen mensen ook wegleiden uit een virushoudende omgeving.

“Wetenschappers moeten nog effectievere en betrouwbaardere sensoren ontwikkelen voor virusdetectie, met een hogere gevoeligheid en nauwkeurigheid, kleiner formaat en gewicht, en betere betaalbaarheid, voordat ze kunnen worden gebruikt in thuistoepassingen of slimme kleding”, zegt Narita. “Dit soort virussensoren zal werkelijkheid worden met verdere ontwikkelingen in de materiaalwetenschap en technologische vooruitgang op het gebied van kunstmatige intelligentie, machine learning en data-analyse.”