Forskare utvecklade en flexibel, implanterbar sensor som kontinuerligt kan övervaka kväveoxid i knäet på en kanin. Gasen kan indikera början av skadeinducerad artros. Kredit:Shangbin Liu/Penn State/Tsinghua University
Om rök indikerar en brand, signalerar kväveoxid inflammation. Den kemiska mediatorn främjar inflammation, men forskare misstänker att den kan göra sitt jobb för bra efter det att främre korsbandet (ACL) brister och relaterade skador och initierar artros i ett tidigt skede. Vanligtvis diagnostiseras den degenerativa sjukdomen först efter progressiva symtom, men den skulle potentiellt kunna identifieras mycket tidigare genom kväveoxidövervakning, enligt Huanyu "Larry" Cheng, James E. Henderson Jr. Memorial Docent i ingenjörsvetenskap och mekanik vid Penn State .
Cheng och hans student, Shangbin Liu, som tog en magisterexamen i ingenjörsvetenskap och mekanik vid Penn State i år, samarbetade med forskare baserade i Kina för att utveckla en flexibel biosensor som kan kontinuerligt och trådlöst detektera kväveoxid hos kaniner. De publicerade sitt tillvägagångssätt i Proceedings of the National Academy of Sciences .
"Realtidsbedömning av biomarkörer förknippade med inflammation, såsom kväveoxid i ledhålan, kan indikera patologisk utveckling vid den initiala utvecklingen av artros, vilket ger viktig information för att optimera behandlingar efter traumatisk knäskada," sa Cheng.
Utmaningen, enligt Cheng, är att detektion av kväveoxid kräver mycket känsliga och stabila elektrokemiska sensorer som också är flexibla och biokompatibla så att kväveoxidens geografiska ursprung kan kartläggas exakt. Motsvarande författare Lan Yin, docent vid School of Materials Science and Engineering vid Tsinghua University i Kina, ledde tidigare utvecklingen av en flexibel, kväveoxidkänslig elektrokemisk sensor, men den förlitade sig på en elektrodkonfiguration som begränsade dess kapacitet.
"Den begränsade ytan gjorde det utmanande att samtidigt uppnå både hög känslighet och hög rumslig upplösning," sa Yin, vilket betyder att enheten kanske kan detektera kväveoxid, men kanske inte kan fastställa exakt var den har sitt ursprung, så det var det inte tydligt om signalen var relaterad till skadestället eller omgivande vävnad. "Omkalibrering krävdes också regelbundet för att säkerställa önskvärd noggrannhet."
Forskare justerade kanalgeometrin i avkänningsmekanismen för att optimera hur gasen kommer in i avkänningskanalen innan detektering. Den infällda bilden framhäver avloppet (D), längden (L), källan (S) och bredden (W) av kanalen. Kredit:Shangbin Liu/Penn State/Tsinghua University
Forskarna vände sig till den potentiella lösningen av flexibla och biokompatibla organiska elektrokemiska transistorer (OECTs), som kan använda spänning och strömmar för att identifiera och förstärka signaler. Även små jonkoncentrationer är detekterbara och förstärkbara när de väl oxiderar på gate-elektroden och driver joner av elektrolyten in i enhetens kanal; kanalen är dock gjord av en polymer, känd som PEDOT:PSS, som ofta arbetar med en annan gate-spänning än kväveoxid.
"Vi justerade kanalgeometrin och gatematerialen för att anpassa hur de elektrokemiska kväveoxidsignalerna kommer in i kanalen och hur enheten upptäcker dem, vilket optimerar avkänningskapaciteten," sa Cheng. "Den referensfria sensorn med en miniatyriserad aktiv avkänningsområde möjliggör kväveoxiddetektering med förbättrad rumslig upplösning jämfört med tidigare rapporterade elektrokemiska kväveoxidsensorer, vilket kan möjliggöra kartläggning av elektrokemiska signaler för att erbjuda omfattande diagnostisk information."
Forskarna integrerade sensorerna med en anpassad kretsmodul, vilket resulterade i en enhet som kontinuerligt och trådlöst övervakar kväveoxidnivåer, som överförs via Bluetooth till en mobiltelefonapp. För att testa designen implanterade forskarna enheterna i kaniner. Under åtta dagar fann forskarna att enheterna framgångsrikt upptäckte kväveoxidkoncentrationer.
"Resultaten indikerar att tidiga tecken på höga kväveoxidkoncentrationer kan korreleras med inflammation och broskdegeneration i ett senare skede, vilket potentiellt kan erbjuda viktig information för att utvärdera progressionen till artros efter ACL-skada och optimera posttraumatiska behandlingar," sa Cheng.
Forskarna planerar att fortsätta undersöka sambandet mellan kväveoxidkoncentrationer och artros och förfina avkänningstekniken, enligt Cheng.
"Sammantaget kan de föreslagna materialalternativen och enhetsdesignen erbjuda en kritisk teknisk grund för att avkoda hälsotillstånd i ett tidigt skede och maximera terapeutiska resultat av tillhörande degeneration och störningar," sa Yin. + Utforska vidare
