Onderzoekers ontwikkelen ultragevoelige stromingsmicrosensoren

Omzetten van de bloedstroomsnelheid naar elektrische stroom met behulp van een grafeen enkele micro-elektrode-apparaat. Credit: Nature Communications (2021). DOI: 10.1038 / s41467-021-21974-y

Een team van wetenschappers van de Universiteit van Massachusetts Amherst heeft de dunste en meest gevoelige flowsensor ontwikkeld, wat aanzienlijke implicaties zou kunnen hebben voor medisch onderzoek en toepassingen, blijkt uit nieuw onderzoek dat onlangs is gepubliceerd in Nature Communications​

Het onderzoek werd geleid door Jinglei Ping, assistent-professor werktuigbouwkunde en industriële techniek, samen met een drietal werktuigbouwkundige Ph.D. studenten: Xiaoyu Zhang, die de sensor heeft gefabriceerd en de meting heeft uitgevoerd, Eric Chia en Xiao Fan. De bevindingen effenen de weg voor toekomstig onderzoek naar volledig elektronische, in-vivo stromingsbewaking bij het onderzoeken van levensverschijnselen met ultralage stroming die nog moeten worden bestudeerd in metabolismeprocessen, retinale hemorheologie en neurowetenschappen.

Flowsensoren, ook wel flowmeters genoemd, zijn apparaten die worden gebruikt om de snelheid van vloeistof- of gasstromen te meten. De snelheid van biofluïdische stroming is een belangrijke fysiologische parameter, maar bestaande stromingssensoren zijn ofwel omvangrijk of missen precisie en stabiliteit. De nieuwe stromingssensor ontwikkeld door het UMass Amherst-team is gebaseerd op grafeen, een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een honingraatrooster, om de leiding te trekken uit een continue waterige stroom. Dit fenomeen biedt een effectieve stromingsdetectiestrategie die zelfaangedreven is en die de belangrijkste prestatiestatistieken honderden keren hoger dan andere elektrische benaderingen levert. De grafeenstroomsensor kan een stroomsnelheid van slechts een micrometer per seconde detecteren, dat wil zeggen minder dan vier millimeter per uur, en heeft het potentieel om minimale veranderingen in de bloedstroom in capillaire vaten te onderscheiden. De prestaties van de grafeenstroomsensor zijn al meer dan een half jaar stabiel.

Ping zegt dat het apparaat dat zijn team heeft gemaakt het eerste is dat zelfaangedreven is en hoge prestaties levert, en dat het de potentie heeft om te worden geïmplanteerd voor langdurige biofluïdische stromingsbewaking. De meest eenvoudige toepassing, voegde hij eraan toe, zou in de gezondheidszorg kunnen zijn. Het implanteren van een microflowmeter zoals die zijn team heeft ontwikkeld in een klein bloedvat is veel eenvoudiger en veiliger dan bestaande flowmeters, die niet geschikt zijn voor low-flow-metingen en in een groter bloedvat moeten worden geïnstalleerd. Ping voegde eraan toe dat wetenschappers en artsen het nuttig kunnen vinden voor hun onderzoek en klinische toepassingen, zoals het monitoren van de bloedstroomsnelheid in diepe hersenvaten om de werking van neuronen die de bloedstroom regelen te begrijpen.

Grafeen is het belangrijkste materiaal bij de ontwikkeling van de sensor, zei Ping. De unieke combinatie van intrinsieke eigenschappen van grafeen, zoals ultrahoge gevoeligheid, ultra lage elektrische ruis, minimale contactelektrificatie met waterige oplossingen, uitstekende stabiliteit in chemisch en mechanisch gedrag en immuniteit voor biofouling, werken samen om de hoge prestaties van de Stroomsensor.

Volgende stappen voor Ping en zijn team zijn onder meer het integreren van de flowsensor in een zelfonderhoudend flowbewakingsapparaat en het verkennen van de toepassing van het apparaat in de gezondheidszorg.