Magnetische microkorrels mengen om moleculaire testen te versnellen

Momenteel streven we ernaar om de verspreiding van COVID-19 tegen te gaan. Hoewel grootschalige beperkingen het virus kunnen belemmeren, kunnen nauwkeurige en snelle diagnostische tests gezondheidsdiensten helpen om het virus beter te controleren en te beheersen. Hiervoor zijn geschikte testapparatuur nodig, zoals die gebaseerd op lab-on-chip-technologieën waarbij testmonsters worden gemengd met detectiemoleculen die zich aan het virus binden en vervolgens een signaal zoals licht uitzenden. Voor haar Ph.D. Onderzoek heeft Sophia E. Shanko onderzocht hoe dit bindingsproces kan worden versneld door magnetische deeltjesmenging te gebruiken, wat aanzienlijke gevolgen kan hebben voor toekomstige diagnostische testapparatuur. Shanko verdedigt haar proefschrift op 10 mei bij de afdeling Werktuigbouwkunde.

COVID-19 kent geen grenzen of grenzen en heeft zich als een lopend vuurtje door landen en continenten verspreid. Hoewel maatschappelijke beperkingen, zoals lockdowns, de verspreiding ervan kunnen beperken, blijft de behoefte aan snelle diagnostische tests op het punt van zorg bestaan.

“Met snelle tests kunnen gevallen snel worden geïdentificeerd en kunnen geïnfecteerde personen snel en geschikt worden behandeld”, zegt Sophia Shanko, Ph.D. onderzoeker in de onderzoeksgroep Microsystems onder leiding van Jaap den Toonder. “Dergelijke tests zouden niet alleen mensen helpen om tijdig te worden behandeld, maar ook besluitvormers informeren die vervolgens lokale inperkingsmaatregelen kunnen opleggen. En dergelijke tests zijn niet alleen voor COVID-19, ze kunnen in de toekomst ook worden gebruikt om te testen op andere virale infecties. . “

Lab-on-chip-apparaten

Veel nieuwe en innovatieve testapparatuur is gebaseerd op lab-on-chip-technologieën. Deze apparaten hebben tal van voordelen, zoals een breed scala aan toepasbaarheid, kleine afmetingen en snelle analysemogelijkheden. In deze apparaten wordt een monster (zoals bloed), dat moet worden getest op een doelwitmolecuul (zoals een antilichaam dat de aanwezigheid van een virus signaleert), gemengd met een vloeistof die detectiemoleculen bevat die kunnen binden aan het doelwitmolecuul. Als het doelwit aanwezig is, genereert binding met het detectiemolecuul een signaal zoals licht.

“Het bindproces in deze apparaten moet snel en nauwkeurig zijn, en dit kan worden bereikt door ervoor te zorgen dat de detectiemoleculen zo snel mogelijk grondig worden gemengd met het testmonster”, zegt Shanko, die ook FameLab TU / e 2020 won waar ze sprak over haar Ph.D. Onderzoek. “De zeer kleine afmetingen van lab-on-chip-technologieën maken mengen alleen mogelijk door moleculaire diffusie, de inherente beweging van moleculen in een vloeistof als gevolg van temperatuur- en concentratieverschillen. Dit is echter een tijdrovend proces.”

ZWEMMEN

De nadelige gevolgen van langzame moleculaire diffusie kunnen gedeeltelijk teniet worden gedaan met behulp van passieve of actieve methoden. Voor de eerste zijn geometrische structuren in het testapparaat opgenomen, terwijl bij de laatste externe krachten, zoals magnetische krachten, kunnen worden gebruikt om de stroming op een gecontroleerde manier te veranderen. De laatste zijn onderzocht om hoge en gecontroleerde mengcapaciteiten te produceren tegen relatief lage kosten.

In haar onderzoek wendde Shanko zich tot magnetische krachten om moleculaire diffusie te versnellen, en op zijn beurt het detectieproces te versnellen door de kans op target-detectiemolecuulbinding te vergroten. “Het mengen van magnetische deeltjes (of microkralen) met de testmonsters en detectiemoleculen heeft tal van voordelen. We kunnen de beweging van deze deeltjes controleren met behulp van externe magnetische velden, en cruciaal is dat deze deeltjes de detectieprestaties niet hinderen.”

De sterkte en de frequentie van het externe magnetische veld spelen een sleutelrol bij het dicteren hoe de microbeads in de vloeistof bewegen, wat op zijn beurt de menging beïnvloedt. “Er is een ‘sweet spot’ voor de parameters die het magnetische veld regelen waar de microkralen bewegen in patronen zoals die te zien zijn bij het zwermen van vogels. Het mengen van de kralen met het testmonster leidt vervolgens tot een snellere binding tussen de doelen en de detectiemoleculen, en een sneller testresultaat. “

Op paddenstoelen en microflaps

Het zwermen van microkorrels is een voorbeeld van dynamische menging, maar Shanko heeft ook gekeken naar alternatieven voor het genereren van dynamische menging, waarbij de magnetische korrels worden aangestuurd door externe statische paddestoelvormige magnetische structuren om deze menging te helpen induceren. Het is wetenschappelijk zeer interessant om te zien hoe de magnetische kralen zich gedragen en om de vloeistofkinetiek te observeren die ze op hun beurt veroorzaken. “Hoewel de paddestoelvormige structuren zeer hoge vloeistofsnelheden kunnen genereren die een efficiënte menging zouden kunnen veroorzaken, hadden ze uiteindelijk een negatieve invloed op het algehele mengproces.”

Ten slotte keek Shanko naar de opname van magnetische flappen die waren bevestigd aan de basis van lab-on-chip-apparaten die werden bestuurd met behulp van het externe magnetische veld. “De microflaps verbeteren de menging van de detectiemoleculen in het monster, maar er zijn meer experimenten nodig om hun effect beter te begrijpen.”

Denk aan toepassingen en de toekomst

Nu COVID-19 de wereld nog steeds stevig in zijn greep houdt, zullen nauwkeurige diagnostische tests voor het virus enige tijd nodig zijn. “De pandemie heeft ons laten zien dat er behoefte is aan snelle en effectieve diagnostische tests. Mijn onderzoek toont aan dat detectie van antilichaammoleculen in lab-on-chip-apparaten kan worden versneld door het gebruik van magnetische microkorrels en externe magnetische velden. nodig voor de toekomst om ons te helpen de aanwezigheid en verspreiding van uitbraken in de toekomst beter te volgen. “

Voor deze FameLab TU / e-winnaar is de volgende stap de ontwikkeling van haar diagnostische start-up. Shanko: “Ik ben erg blij met de uitkomst van mijn doctoraatsonderzoek dat wordt vertaald in verschillende wetenschappelijke artikelen. Het is geweldig om te zien dat micro-menging met magnetische korrels het potentieel heeft voor snelle en zeer nauwkeurige diagnostiek. Hoewel mijn Ph. D. loopt op zijn einde, mijn liefde voor diagnostiek is nog maar net begonnen. ”