För närvarande, vi strävar efter att bromsa spridningen av covid-19. Även om storskaliga restriktioner kan hindra viruset, noggranna och snabba diagnostiska tester kan hjälpa hälsovården att bättre övervaka och innehålla viruset. För detta, lämpliga testanordningar behövs, som de som baseras på lab-on-chip-teknologier där testprover blandas med detektionsmolekyler som binder till viruset och sedan avger en signal som ljus. För hennes Ph.D. forskning, Sophia E. Shanko utforskade hur denna bindningsprocess kan påskyndas med hjälp av magnetisk partikelblandning, vilket kan få betydande konsekvenser för framtida diagnostiska testenheter. Shanko försvarar sin avhandling den 10 maj vid institutionen för maskinteknik.

COVID-19 känner inga gränser eller gränser och har spridit sig som en löpeld genom länder och kontinenter. Samtidigt som samhälleliga restriktioner, såsom låsningar, kan begränsa dess spridning, behovet av snabba diagnostiska tester kvarstår.

"Snabb testning möjliggör snabb identifiering av fall, och tillhandahållande av snabba och lämpliga behandlingar för infekterade individer, " säger Sophia Shanko, Ph.D. forskare i forskargruppen Mikrosystem under ledning av Jaap den Toonder. "Sådana tester skulle inte bara bidra till att ge människor snabba behandlingar utan också informera beslutsfattare som sedan kan införa lokala inneslutningsåtgärder. Och sådana tester är inte bara för covid-19, de kan användas för att testa för andra virusinfektioner i framtiden."

Lab-on-chip-enheter

Många nya och innovativa testenheter är baserade på lab-on-chip-teknik. Dessa enheter har många fördelar såsom ett brett användningsområde, liten storlek, och snabba analysmöjligheter. I dessa enheter, ett prov (som blod), som måste testas för en målmolekyl (som en antikropp som signalerar närvaron av ett virus), blandas med en vätska som innehåller detektionsmolekyler som kan binda till målmolekylen. Om målet är närvarande, bindning med detektionsmolekylen genererar en signal såsom ljus.

"Bindningsprocessen i dessa enheter måste vara snabb och exakt, och detta kan uppnås genom att se till att detektionsmolekylerna blandas noggrant med testprovet så snart som möjligt, säger Shanko, som också vann FameLab TU/e ​​2020 där hon berättade om sin doktorsexamen. forskning. "De mycket små dimensionerna av lab-on-chip-teknik tillåter blandning endast genom molekylär diffusion, den inneboende rörelsen av molekyler i en vätska på grund av temperatur- och koncentrationsskillnader. Dock, det här är en tidskrävande process."

SWARMING

De skadliga effekterna av långsam molekylär diffusion kan delvis omintetgöras med hjälp av passiva eller aktiva metoder. För den förra, geometriska strukturer ingår i testanordningen, medan i den senare, yttre krafter, som magnetiska krafter, kan användas för att ändra flödet på ett kontrollerat sätt. De senare har studerats för att producera hög och kontrollerad blandningskapacitet till en relativt låg kostnad.

I sin forskning, Shanko vände sig till magnetiska krafter för att påskynda molekylär diffusion, och i sin tur påskynda detektionsprocessen genom att öka chanserna för måldetektionsmolekylbindningshändelser. "Att blanda magnetiska partiklar (eller mikropärlor) med testproverna och detektionsmolekylerna har många fördelar. Vi kan kontrollera dessa partiklars rörelse med hjälp av externa magnetfält, och avgörande är att dessa partiklar inte hindrar detekteringsprestandan."

Styrkan och frekvensen av det externa magnetfältet spelar en nyckelroll när det gäller att diktera hur mikropärlorna rör sig i vätskan, vilket i sin tur påverkar blandningen. "Det finns en "sweet spot" för parametrarna som styr magnetfältet där mikropärlorna rör sig i mönster som de som ses i fågelsvärmning. Blandning av pärlorna med testprovet leder sedan till snabbare bindning mellan målen och detektionsmolekylerna, och ett snabbare testresultat."

På svamp och mikroflikar

Microbead svärmning är ett exempel på dynamisk blandning, men Shanko tittade också på alternativ för att generera dynamisk blandning, där de magnetiska pärlorna styrs av externa statiska svampformade magnetiska strukturer för att hjälpa till att framkalla denna blandning. Det är vetenskapligt mycket intressant att se hur de magnetiska pärlorna beter sig och att observera vätskekinetiken som de, i tur och ordning, orsak. "Även om de svampformade strukturerna kan generera mycket höga vätskehastigheter som kan inducera effektiv blandning, det slutade med att de påverkade den övergripande blandningsprocessen negativt."

Till sist, Shanko tittade på införandet av magnetiska flikar fästa vid basen av lab-on-chip-enheter som styrdes med hjälp av det externa magnetfältet. "Mikroklaffarna förbättrar blandningen av detektionsmolekylerna i provet, men ytterligare experiment krävs för att bättre förstå deras effekt."

Tänkande applikationer och framtiden

Med covid-19 fortfarande hårt grepp om världen, noggranna diagnostiska tester för viruset kommer att behövas under en tid. "Pandemin har visat oss att det finns ett behov av snabba och effektiva diagnostiska tester. Min forskning visar att detektion av antikroppsmolekyler i lab-on-chip-enheter kan påskyndas genom användning av magnetiska mikropärlor och externa magnetfält. Denna teknologi är behövs för framtiden för att hjälpa oss att bättre övervaka förekomsten och spridningen av utbrott i framtiden."

För denna FameLab TU/e-vinnare, nästa steg är utvecklingen av hennes diagnostiska start-up. Shanko:"Jag är mycket nöjd med resultatet av min doktorsexamen som håller på att översättas till flera vetenskapliga artiklar. Det är fantastiskt att se att mikroblandning av magnetiska pärlor har potentialen för snabb och hög precision diagnostik. Även om min doktorsexamen. D. närmar sig sitt slut, min kärlek till diagnostik är bara i början."