Een onderzoeksteam van de University of Minnesota Twin Cities heeft een nieuwe microfluïdische chip ontwikkeld voor het diagnosticeren van ziekten die een minimaal aantal componenten gebruikt en draadloos kan worden aangedreven door een smartphone. De innovatie opent de deur voor snellere en meer betaalbare medische tests thuis.
De paper van de onderzoekers is gepubliceerd in Nature Communications, een peer-reviewed, open access, wetenschappelijk tijdschrift gepubliceerd door Nature Research. Onderzoekers werken ook aan het commercialiseren van de technologie.
Microfluïdica omvat de studie en manipulatie van vloeistoffen op zeer kleine schaal. Een van de meest populaire toepassingen in het veld is de ontwikkeling van “lab-on-a-chip”-technologie, of de mogelijkheid om apparaten te maken die ziekten kunnen diagnosticeren uit een zeer klein biologisch monster, bijvoorbeeld bloed of urine.
Wetenschappers hebben al draagbare apparaten voor het diagnosticeren van sommige aandoeningen – snelle COVID-19-antigeentests bijvoorbeeld. Een groot obstakel voor het ontwikkelen van meer geavanceerde diagnostische chips die bijvoorbeeld de specifieke stam van COVID-19 kunnen identificeren of biomarkers zoals glucose of cholesterol kunnen meten, is het feit dat ze zoveel bewegende delen nodig hebben.
Voor dergelijke chips zijn materialen nodig om de vloeistof binnenin af te sluiten, pompen en slangen om de vloeistof te manipuleren, en draden om die pompen te activeren – allemaal materialen die moeilijk te verkleinen zijn tot op microniveau. Onderzoekers van de Twin Cities van de Universiteit van Minnesota konden een microfluïdisch apparaat maken dat functioneert zonder al die omvangrijke componenten.
“Onderzoekers zijn buitengewoon succesvol geweest als het gaat om het schalen van elektronische apparaten, maar het vermogen om vloeibare monsters te verwerken is niet bijgehouden”, zegt Sang-Hyun Oh, een professor aan de Twin Cities Department of Electrical and Computer Engineering van de University of Minnesota en senior auteur van de studie. “Het is niet overdreven dat een state-of-the-art, microfluïdisch lab-on-a-chip-systeem erg arbeidsintensief is om in elkaar te zetten. Onze gedachte was: kunnen we het afdekmateriaal, de draden en de pompen gewoon wegdoen? helemaal en maak het eenvoudig?”
Veel lab-on-a-chip-technologieën werken door vloeistofdruppels over een microchip te verplaatsen om de viruspathogenen of bacteriën in het monster te detecteren. De oplossing van de onderzoekers van de Universiteit van Minnesota is geïnspireerd op een eigenaardig fenomeen uit de echte wereld waarmee wijndrinkers bekend zullen zijn: de ‘benen’ of lange druppels die zich in een wijnfles vormen als gevolg van oppervlaktespanning veroorzaakt door de verdamping van alcohol.
advertentie
Met behulp van een techniek die in het begin van 2010 door Oh’s lab werd ontwikkeld, plaatsten de onderzoekers minuscule elektroden heel dicht bij elkaar op een chip van 2 cm bij 2 cm, die sterke elektrische velden genereren die druppeltjes over de chip trekken en een soortgelijk “pootje” van vloeistof creëren om de moleculen binnenin detecteren.
Omdat de elektroden zo dicht bij elkaar zijn geplaatst (met slechts 10 nanometer tussenruimte), is het resulterende elektrische veld zo sterk dat de chip slechts minder dan een volt elektriciteit nodig heeft om te functioneren. Door deze ongelooflijk lage spanning konden de onderzoekers de diagnostische chip activeren met behulp van near-field communicatiesignalen van een smartphone, dezelfde technologie die wordt gebruikt voor contactloos betalen in winkels.
Dit is de eerste keer dat onderzoekers een smartphone kunnen gebruiken om draadloos smalle kanalen te activeren zonder microfluïdische structuren, wat de weg vrijmaakt voor goedkopere, meer toegankelijke diagnostische apparaten voor thuis.
“Dit is een zeer opwindend, nieuw concept”, zegt Christopher Ertsgaard, hoofdauteur van de studie en een recente CSE-alumnus (ECE Ph.D. ’20). “Tijdens deze pandemie denk ik dat iedereen het belang heeft ingezien van snelle, point-of-care-diagnostiek thuis. En er zijn technologieën beschikbaar, maar we hebben snellere en gevoeligere technieken nodig. Met schaalvergroting en productie met hoge dichtheid kunnen we kunnen deze geavanceerde technologieën voor thuisdiagnose gebruiken tegen een meer betaalbare prijs.”
Oh’s lab werkt samen met het start-upbedrijf GRIP Molecular Technologies uit Minnesota, dat diagnostische apparaten voor thuis produceert, om het microchipplatform te commercialiseren. De chip is ontworpen om brede toepassingen te hebben voor het detecteren van virussen, pathogenen, bacteriën en andere biomarkers in vloeibare monsters.
“Om commercieel succesvol te zijn, moet in-home diagnostiek goedkoop en gebruiksvriendelijk zijn”, zegt Bruce Batten, oprichter en president van GRIP Molecular Technologies. “Vloeistofbewegingen met een laag voltage, zoals wat het team van professor Oh heeft bereikt, stelt ons in staat om aan beide eisen te voldoen. GRIP heeft het geluk gehad om samen te werken met de Universiteit van Minnesota aan de ontwikkeling van ons technologieplatform. Het koppelen van fundamenteel en translationeel onderzoek is cruciaal voor het ontwikkelen van een pijplijn van innovatieve, transformationele producten.”
Naast Oh en Ertsgaard bestond het onderzoeksteam uit alumni van de Universiteit van Minnesota, afdeling Electrical and Computer Engineering, Daniel Klemme (Ph.D. ’19) en Daehan Yoo (Ph.D. ’16) en Ph.D. leerling Peter Christenson.
Dit onderzoek werd ondersteund door de National Science Foundation (NSF). Oh kreeg steun van de Sanford P. Bordeau Endowed Chair aan de Universiteit van Minnesota en het McKnight University Professorship. De fabricage van het apparaat werd uitgevoerd in het Minnesota Nano Center aan de Universiteit van Minnesota, dat wordt ondersteund door NSF via de National Nanotechnology Coordinated Infrastructure (NNCI).
lees het gehele artikel bij de bron
Samenvatting: Een onderzoeksteam heeft een nieuwe microfluïdische chip ontwikkeld voor het diagnosticeren van ziekten die een minimaal aantal componenten gebruikt en draadloos kan worden aangedreven door een smartphone. De innovatie opent de deur voor snellere en meer betaalbare medische tests thuis.
Datum van publicatie: 3 mei 2022
Bron: Technologie | Top technologienieuws — ScienceDaily