Afdrukbare molecuul-selectieve nanodeeltjes maken massaproductie van draagbare biosensoren mogelijk

De toekomst van de geneeskunde kan heel goed liggen in de personalisatie van de gezondheidszorg – wetende precies wat een individu nodig heeft en vervolgens de juiste mix van voedingsstoffen, metabolieten en medicijnen, indien nodig, te leveren om hun toestand te stabiliseren en te verbeteren. Om dit mogelijk te maken, hebben artsen eerst een manier nodig om bepaalde gezondheidsbiomarkers continu te meten en te controleren.

Daartoe heeft een team van CalTech Engineers een techniek ontwikkeld voor inkjetprintarrays van speciale nanodeeltjes die de massaproductie van langdurige draagbare zweetsensoren mogelijk maken. Deze sensoren kunnen worden gebruikt om een ​​verscheidenheid aan biomarkers, zoals vitamines, hormonen, metabolieten en medicijnen, in realtime te controleren, die patiënten en hun artsen het vermogen bieden om voortdurend veranderingen in de niveaus van die moleculen te volgen.

Wearable biosensoren die de nieuwe nanodeeltjes opnemen, zijn met succes gebruikt om metabolieten te controleren bij patiënten met een lange covid en de niveaus van chemotherapie -medicijnen bij kankerpatiënten in City of Hope in Duarte, Californië.

“Dit zijn slechts twee voorbeelden van wat mogelijk is,” Zegt Wei Gao, een professor in medische engineering in het Andrew en Peggy Cherng Department of Medical Engineering bij Caltech.

“Er zijn veel chronische aandoeningen en hun biomarkers dat deze sensoren ons nu de mogelijkheid geven om continu en niet -invasief te controleren,” zegt Gao, die de bijbehorende auteur is op een papier in het dagboek Natuurmaterialen de nieuwe techniek beschrijven.

Gao en zijn team beschrijven de nanodeeltjes als kern -schaal kubieke nanodeeltjes. De kubussen worden gevormd in een oplossing die het molecuul omvat dat de onderzoekers willen volgen – bijvoorbeeld vitamine C. terwijl de monomeren zich spontaan verzamelen om een ​​polymeer te vormen, het doelmolecuul – vitamine C – zit vast in de kubieke nanodeeltjes.

Vervolgens wordt een oplosmiddel gebruikt om specifiek de vitamine C -moleculen te verwijderen, waardoor een moleculair ingeprente polymeerschaal is bezaaid met gaten die vormen hebben die exact overeenkomen met die van de vitamine C -moleculen – Akin aan kunstmatige antilichamen die selectief de vormen van alleen bepaalde molecules herkent.

Belangrijk is dat in de nieuwe studie de onderzoekers die speciaal gevormde polymeren combineren met een nanodeeltjeskern gemaakt van nikkel hexacyanoferraat (NIHCF). Dit materiaal kan worden geoxideerd of verminderd onder een aangelegde elektrische spanning in contact met menselijk zweet of andere lichaamsvloeistoffen.

Terugkerend naar het vitamine C -voorbeeld, zal vloeistof in contact komen met de NIHCF -kern zolang de vitamine C -vormige gaten onbezet zijn en dit een elektrisch signaal genereert.

Wanneer vitamine C -moleculen in contact komen met het polymeer, glijden ze echter in die gaten, waardoor zweet of andere lichamelijke vloeistoffen niet contact opnemen met de kern. Dit verzwakt het elektrische signaal. De sterkte van het elektrische signaal onthult dus hoeveel vitamine C aanwezig is.

“Deze kern is van cruciaal belang. De nikkel hexacyanoferraat kern is zeer stabiel, zelfs in biologische vloeistoffen, waardoor deze sensoren ideaal zijn voor langdurige meting,” Zegt Gao, die ook een onderzoeker van Medical Research Institute is en een Ronald en Joanne Willens Scholar is.

De nieuwe nanodeeltjes van de kernschaal zijn zeer veelzijdig en worden gebruikt in arrays van printsensor die de niveaus van meerdere aminozuren, metabolieten, hormonen of geneesmiddelen in zweet of lichamelijke vloeistoffen meten, simpelweg door meerdere nanodeeltjes te gebruiken “inkten” in een enkele reeks.

In het werk dat in de paper wordt beschreven, hebben de onderzoekers bijvoorbeeld nanodeeltjes afgedrukt die binden aan vitamine C, samen met andere nanodeeltjes die binden aan de aminozuur tryptofaan en creatinine, een biomarker die gewoonlijk wordt gemeten om te zien hoe goed de nieren werken.

Alle nanodeeltjes werden gecombineerd in één sensor die vervolgens in massa werd geproduceerd. Deze drie moleculen zijn interessant in studies van patiënten met lange covid.

Evenzo hebben de onderzoekers op nanodeeltjes gebaseerde draagbare sensoren afgedrukt die specifiek waren voor drie verschillende antitumor-geneesmiddelen op individuele sensoren die vervolgens werden getest op kankerpatiënten bij City of Hope.

“Door het potentieel van deze technologie aan te tonen, konden we op een bepaald moment op afstand de hoeveelheid kankergeneesmiddelen in het lichaam volgen,” Zegt Gao. “Dit wijst op de weg naar het doel van dosis personalisatie, niet alleen voor kanker, maar ook voor veel andere aandoeningen.”

In de krant toonde het team ook aan dat de nanodeeltjes kunnen worden gebruikt om sensoren af ​​te drukken die net onder de huid kunnen worden geïmplanteerd om de geneesmiddelenniveaus in het lichaam nauwkeurig te volgen.