Ett internationellt team av forskare har utvecklat en billigt sensor tillverkad av halvledande plast som kan användas för att diagnostisera eller övervaka ett brett spektrum av hälsotillstånd, såsom kirurgiska komplikationer eller neurodegenerativa sjukdomar.

Sensorn kan mäta mängden kritiska metaboliter, såsom laktat eller glukos, som finns i svett, tårar, saliv eller blod, och, när den är inbyggd i en diagnostisk enhet, kan göra det möjligt att snabbt övervaka hälsotillstånd, billigt och exakt. Den nya enheten har en mycket enklare design än befintliga sensorer, och öppnar upp ett brett utbud av nya möjligheter för hälsoövervakning ner till cellnivå. Resultaten rapporteras i journalen Vetenskapens framsteg .

Enheten utvecklades av ett team som leds av University of Cambridge och King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) i Saudiarabien. Halvledande plaster som de som används i det aktuella arbetet utvecklas för användning i solceller och flexibel elektronik, men har ännu inte sett någon utbredd användning i biologiska tillämpningar.

"I vårt arbete, vi har övervunnit många av begränsningarna för konventionella elektrokemiska biosensorer som innehåller enzymer som avkänningsmaterial, " sa huvudförfattaren Dr. Anna-Maria Pappa, en postdoktor vid Cambridges avdelning för kemiteknik och bioteknik. "I konventionella biosensorer, kommunikationen mellan sensorns elektrod och avkänningsmaterialet är inte särskilt effektiv, så det har varit nödvändigt att lägga till molekylära ledningar för att underlätta och "förstärka" signalen."

För att bygga sin sensor, Pappa och hennes kollegor använde en nysyntetiserad polymer utvecklad vid Imperial College som fungerar som en molekylär tråd, tar direkt emot de elektroner som produceras under elektrokemiska reaktioner. När materialet kommer i kontakt med en vätska som svett, tårar eller blod, det absorberar joner och sväller, smälter samman med vätskan. Detta leder till betydligt högre känslighet jämfört med traditionella sensorer gjorda av metallelektroder.

Dessutom, när sensorerna är inbyggda i mer komplexa kretsar, såsom transistorer, signalen kan förstärkas och svara på små fluktuationer i metabolitkoncentrationen, trots den lilla storleken på enheterna.

Inledande tester av sensorerna användes för att mäta nivåer av laktat, vilket är användbart i fitnesstillämpningar eller för att övervaka patienter efter operation. Dock, enligt forskarna, sensorn kan enkelt modifieras för att detektera andra metaboliter, såsom glukos eller kolesterol genom att inkorporera lämpligt enzym, och koncentrationsområdet som sensorn kan detektera kan justeras genom att ändra enhetens geometri.

"Detta är första gången som det har varit möjligt att använda en elektronmottagande polymer som kan skräddarsys för att förbättra kommunikationen med enzymerna, som möjliggör direkt detektering av en metabolit:detta har inte varit okomplicerat förrän nu, " sa Pappa. "Det öppnar upp nya riktningar inom biosensing, där material kan utformas för att interagera med en specifik metabolit, vilket resulterar i mycket känsligare och selektivare sensorer."

Eftersom sensorn inte består av metaller som guld eller platina, den kan tillverkas till en lägre kostnad och kan enkelt införlivas i flexibla och töjbara underlag, möjliggör implementering av dem i bärbara eller implanterbara avkänningsapplikationer.

"En implanterbar enhet kan tillåta oss att övervaka hjärnans metaboliska aktivitet i realtid under stressförhållanden, såsom under eller omedelbart före ett anfall och kan användas för att förutsäga anfall eller för att bedöma behandling, sa pappa.

Forskarna planerar nu att utveckla sensorn för att övervaka metabolisk aktivitet av mänskliga celler i realtid utanför kroppen. Gruppen Bioelectronic Systems and Technologies där Pappa är baserad är inriktad på att utveckla modeller som nära kan efterlikna våra organ, tillsammans med teknologier som kan bedöma dem korrekt i realtid. Den utvecklade sensorteknologin kan användas med dessa modeller för att testa läkemedels styrka eller toxicitet.