(Phys.org) - När det gäller nanomedicin, mindre är - överraskande nog - inte alltid bättre.
UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science-forskare har fastställt att den miniminära storleken på nanotrådbaserade biosensorer-som vårdpersonal använder för att upptäcka proteiner som markerar början på hjärtsvikt, cancer och andra hälsorisker - är inte det som gör dem mer känsliga än andra diagnostiska enheter. Snarare, det viktigaste är samspelet mellan de laddade jonerna i det biologiska provet som testas och de laddade proteinerna fångade på sensornas yta.
Fyndet motverkar år av konventionell visdom om att en biosensor kan göras mer känslig helt enkelt genom att minska diametern på nanotrådarna som utgör enheten. Detta antagande har drivit hundratals kostsamma forsknings- och utvecklingsinsatser inom området nanomedicin-där små material och enheter används för att upptäcka, diagnostisera och behandla sjukdomar.
Forskningen föreslår nya riktningar för att designa biosensorer för att förbättra deras känslighet och göra dem mer praktiska för läkare - och, så småningom, patienterna själva - att använda.
"Det här är första gången förståelsen för varför nanotråds biosensorverk har utmanats, "sa Chi On Chui, en docent i elektroteknik och bioingenjör vid UCLA vars laboratorium utförde forskningen. "Fördelen är inte från det faktum att trådarna är nanoskala, utan snarare hur deras geometri minskar jonernas förmåga att hämma proteindetektering. Denna forskning kan vara ett steg mot att utveckla sofistikerade, kostnadseffektiva och bärbara enheter för att exakt upptäcka en rad sjukdomar. "
Forskningen publicerades 25 mars i Förfaranden från National Academy of Sciences .
Nanowire biosensorer är, i huvudsak, elektroniska transistorer med en diameter mindre än bredden på en enda röd blodkropp. När de utsätts för ett blodprov eller annan kroppsvätska, de specifika laddade proteinerna som testas för fångas på nanotrådarnas ytor. Laddningen av de fångade proteinerna ändrar hastigheten för elektrisk ström som flödar genom nanotrådstransistorn. Genom att övervaka den elektriska strömmen, forskare kan kvantifiera koncentrationen av proteiner i provet, vilket kan ge dem en indikation på hjärthälsa, diabetes och ett antal andra medicinska tillstånd.
En utmaning för den praktiska användningen av tekniken är att förutom de laddade proteinerna, många fysiologiska vätskor innehåller en stor koncentration av laddade joner, såsom natrium, kalium och klorid. Dessa joner omger proteinerna och maskerar proteinladdningen, vilket hindrar sensorn från att upptäcka proteinerna.
Forskare i laboratorier kan kringgå detta problem. Men läkare som utför tester på sina patienter eller patienter som övervakar sin egen hälsa hemma kan inte göra det utan hjälp av en tekniker. Detta har försvårat antagandet av tekniken.
UCLA -forskningen ökar förståelsen för nanotrådseffektivitet på flera sätt. Först, det bevisar att nanotrådarnas lilla storlek inte i sig är ansvarig för att de överträffar sina plana motsvarigheter.
Andra, det visar att förbättringen av prestanda beror på det faktum att jonisk screening reduceras i trånga utrymmen - som hörnen mellan en nanotråd och basen den sitter på - eftersom joner har svårt att närma sig proteiner där. Denna hörneffekt finns i de flesta biosensingstrukturer, oavsett om de är nanoskala eller inte; men effekten blir viktigare i nanoskala.
Forskningen visar också att i allmänhet, enheter med konkava ytor fungerar mer effektivt än de med konvexa ytor.
"Min förhoppning är att forskare kan använda denna förståelse för att göra två saker, "sa Kaveh Shoorideh, UCLA Engineering -doktoranden som är första författare till forskningen. "Först, att göra känsliga biosensorer utan att använda dyra nanotrådar, och andra, att hitta på sätt att minska jonisk screening utan att behöva en tekniker. "
