Mild uppvärmning av grafenoxidskivor gör det möjligt att binda speciella föreningar till arkens yta, visar en ny studie. Dessa föreningar väljer i sin tur och binder med specifika molekyler av intresse, inklusive DNA och proteiner, eller till och med hela celler. I den här bilden är den behandlade grafenoxiden till höger nästan dubbelt så effektiv för att fånga celler som det obehandlade materialet till vänster.
En enda cell kan innehålla en mängd information om en individs hälsa. Nu, en ny metod utvecklad vid MIT och National Chiao Tung University skulle kunna göra det möjligt att fånga och analysera enskilda celler från ett litet blodprov, potentiellt leda till mycket billiga diagnostiska system som kan användas nästan var som helst.
Det nya systemet, baserad på specialbehandlade ark av grafenoxid, kan i slutändan leda till en mängd enkla enheter som kan produceras för så lite som $5 styck och utföra en mängd olika känsliga diagnostiska tester även på platser långt från typiska medicinska anläggningar.
Materialet som används i denna forskning är en oxiderad version av den tvådimensionella formen av rent kol som kallas grafen, som har varit föremål för omfattande forskning i över ett decennium på grund av dess unika mekaniska och elektriska egenskaper. Nyckeln till den nya processen är att värma grafenoxiden vid relativt milda temperaturer. Denna lågtemperaturglödgning, som det är känt, gör det möjligt att binda speciella föreningar till materialets yta. Dessa föreningar väljer i sin tur och binder med specifika molekyler av intresse, inklusive DNA och proteiner, eller till och med hela celler. När den väl fångats, dessa molekyler eller celler kan sedan utsättas för en mängd olika tester.
Fynden redovisas i tidskriften ACS Nano i en tidning medförfattare av Neelkanth Bardhan, en MIT postdoc, och Priyank Kumar PhD '15, nu postdoc vid ETH Zürich; Angela Belcher, James Mason Crafts Professor i biologisk teknik och materialvetenskap och ingenjörskonst vid MIT och medlem av Koch Institute for Integrative Cancer Research; Jeffrey Grossman, Morton och Claire Goulder och familjeprofessor i miljösystem vid MIT; Hidde L. Ploegh, en professor i biologi och medlem av Whitehead Institute for Biomedical Research; Guan-Yu Chen, en biträdande professor i biomedicinsk teknik vid National Chiao Tung University i Taiwan; och Zeyang Li, en doktorand vid Whitehead Institute.
Andra forskare har försökt utveckla diagnostiska system som använder ett grafenoxidsubstrat för att fånga specifika celler eller molekyler, men dessa tillvägagångssätt använde bara det råa, obehandlat material. Trots ett decennium av forskning, andra försök att förbättra sådana enheters effektivitet har förlitat sig på externa modifieringar, såsom ytmönster genom litografiska tillverkningstekniker, eller lägga till mikrofluidkanaler, vilket ökar kostnaden och komplexiteten. Det nya fyndet erbjuder en massproducerbar, lågkostnadsstrategi för att uppnå sådana effektivitetsförbättringar.
Uppvärmningsprocessen förändrar materialets ytegenskaper, får syreatomer att klunga ihop sig, lämnar mellanrum av blottad grafen mellan dem. Detta gör det relativt enkelt att fästa andra kemikalier på ytan, som kan interagera med specifika molekyler av intresse. Den nya forskningen visar hur den grundläggande processen potentiellt skulle kunna möjliggöra en svit av billiga diagnostiska system, till exempel för cancerscreening eller behandlingsuppföljning.
För detta proof-of-concept-test, teamet använde molekyler som snabbt och effektivt kan fånga specifika immunceller som är markörer för vissa cancerformer. De kunde visa att deras behandlade grafenoxidytor var nästan dubbelt så effektiva för att fånga upp sådana celler från helblod, jämfört med enheter tillverkade med vanliga, obehandlad grafenoxid, säger Bardhan, tidningens huvudförfattare.
Systemet har också andra fördelar, säger Bardhan. Det möjliggör snabb infångning och bedömning av celler eller biomolekyler under omgivande förhållanden inom cirka 10 minuter och utan behov av kylning av prover eller inkubatorer för exakt temperaturkontroll. Och hela systemet är kompatibelt med befintliga storskaliga tillverkningsmetoder, gör det möjligt att producera diagnostiska enheter för mindre än 5 USD styck, laget uppskattar. Sådana anordningar skulle kunna användas i vårdcentralstestning eller i resursbegränsade inställningar.
Befintliga metoder för att behandla grafenoxid för att möjliggöra funktionalisering av ytan kräver högtemperaturbehandlingar eller användning av starka kemikalier, men det nya systemet, som koncernen har patenterat, kräver ingen kemisk förbehandling och en glödgningstemperatur på bara 50 till 80 grader Celsius (122 till 176 F).
Även om teamets grundläggande bearbetningsmetod kan möjliggöra en mängd olika applikationer, inklusive solceller och ljusavgivande enheter, för detta arbete fokuserade forskarna på att förbättra effektiviteten av att fånga celler och biomolekyler som sedan kan utsättas för en rad tester. De gjorde detta genom att enzymatiskt belägga den behandlade grafenoxidytan med peptider som kallas nanokroppar - underenheter av antikroppar, som billigt och enkelt kan produceras i stora mängder i bioreaktorer och är mycket selektiva för särskilda biomolekyler.
Forskarna fann att en ökning av glödgningstiden stadigt ökade effektiviteten av cellinfångning:Efter nio dagars glödgning, effektiviteten för att fånga celler från helblod gick från 54 procent, för obehandlad grafenoxid, till 92 procent för det behandlade materialet.
Teamet utförde sedan simuleringar av molekylär dynamik för att förstå de grundläggande förändringarna i reaktiviteten hos grafenoxidbasmaterialet. Simuleringsresultaten, vilket teamet också verifierade experimentellt, föreslog att vid glödgning, den relativa andelen av en typ av syre (karbonyl) ökar på bekostnad av de andra typerna av syrefunktionella grupper (epoxi och hydroxyl) som ett resultat av syreklustringen. Denna förändring gör materialet mer reaktivt, vilket förklarar den högre tätheten av cellinfångningsmedel och den ökade effektiviteten av cellinfångning.
"Effektivitet är särskilt viktigt om du försöker upptäcka en sällsynt händelse, " säger Belcher. "Målet med detta var att visa en hög effektivitet för fångst." Nästa steg efter detta grundläggande bevis på konceptet, hon säger, är att försöka göra en fungerande detektor för en specifik sjukdomsmodell.
I princip, Bardhan säger, många olika tester kan införlivas på en enda enhet, som alla kunde placeras på ett litet objektglas som de som används för mikroskopi.
Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
