Forskare vid Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration IZM har gått samman med partners inom industri och sjukvård för att utveckla en praktisk grafenoxidbaserad sensorplattform för att upptäcka akuta infektioner som sepsis eller antikropparna mot coronaviruset inom några minuter.

Den nuvarande situationen med covid-19-pandemin understryker vikten av att upptäcka infektioner snabbt och exakt för att förhindra ytterligare spridning. I dag, symtom ger ledtrådar som hjälper till att diagnostisera virala eller bakteriella infektioner. Dock, många infektioner har liknande symtom, så dessa tecken kan lätt läsas fel och sjukdomen feldiagnostiseras. Blodprover ger säkerhet, men laboratorier utför dessa endast efter ordination av husläkare. När resultaten kommer från labbet, läkare har ofta skrivit ut ett antibiotikum som mycket väl kan vara onödigt.

Bara en droppe blod för en diagnos

Forskare vid Fraunhofer IZM i Berlin har arbetat med projektet Graph-POC sedan april 2018 på en grafenoxidbaserad sensorplattform för att ta sig an just dessa utmaningar vid diagnostisering av infektioner. En enda droppe blod eller saliv är allt som krävs för att utföra en korrekt analys. Bara några minuter efter att droppen applicerats på sensorns yta, elektriska signaler förmedlar testresultatet till husläkarmottagningen. Detta snabbtest ger säkerhet inom bara 15 minuter för att ersätta det utdragna blodarbetet i labbet. Det tar bort felet och gissningarna från diagnosen så att läkaren kan ordinera lämplig behandling eller lämplig antibiotika.

Testet kan också ställas in för att upptäcka antikroppar som finns efter att en patient har återhämtat sig från en infektion. Fraunhofer IZM-forskare fokuserar nu på denna applikation för att upptäcka tidigare infektioner med COVID-19-viruset, som kan hjälpa till med insatser för att spåra hur smittan har spridit sig. Människokroppen bildar molekyler eller proteiner som kallas biomarkörer som svar på en infektion. Fånga molekyler placerade på ytan av den grafenbaserade sensorn för att upptäcka dessa biomarkörer. Differentiella mätningar av biomarkörernas koncentration avgör om det finns en infektion.

3D-struktur för att förstora mätytan

Den här sensorplattformens mest anmärkningsvärda egenskap är dess basmaterial:elektriskt ledande och biokompatibel, grafenoxid är också ett mycket pålitligt sätt att detektera. Hittills, den har bara använts i mikroelektronik i sin ursprungliga form, ett 2-D monolager. Fraunhofer IZM-forskare tillämpar det nu i en 3D-struktur i form av flingor. Denna 3D-form ökar mätytan och mätnoggrannheten.

Manuel Bäuscher, forskare vid Fraunhofer IZM och delprojektledare vid Graph-POC, ser stora framtidsutsikter för dessa grafenoxidsensorer:"Vi kan svänga från det nuvarande medicinska området för att också utvecklas i riktning mot behovspunkten; det vill säga, mot miljöteknik och upptäckt av miljöpåverkan. Men naturligtvis är coronaapplikationen vår första prioritet." Grafenoxidflingornas 3D-array och ökade känslighet öppnar också dörren till ytterligare applikationer. Till exempel, den kan upptäcka skadliga gaser som kolmonoxid eller aceton även vid rumstemperatur. Som det står, dessa gaser måste först värmas upp för att utlösa en ytreaktion som dagens sensorer kan upptäcka. Grafenoxidsensorn reagerar vid lägre temperaturer när metalloxider binder till dess känsliga yta.

Fraunhofer IZM-forskare tar sig an en annan utmaning för att skala upp produktionsprocessen för masstillverkning:De funderar på att applicera grafenoxidbeläggningen på wafernivå så att hundratals chips kan bearbetas på en gång.

Antikroppar kan detekteras efter coronavirusinfektioner om cirka ett år

De grafenoxidbaserade sensorerna måste integreras i en plastbärare och systemets tillförlitlighet måste testas innan snabbtesterna kan sättas in. Även om det ursprungliga projektet för att upptäcka infektioner beräknas pågå till våren 2021, forskarna räknar inte med att kunna verifiera sensorn för coronaviruset på ett år till. Partnerna i detta projekt är Charité, Aptarion Biotech AG, Technische Universität Berlin, MicroDiscovery GmbH och alpha-board GmbH. Det finansieras av det tyska förbundsministeriet för utbildning och forskning (BMBF).