När Australiens nationella covid-19-vaccinutrullning fortsätter och hotet om nya och befintliga globala varianter hägrar, snabbtestning är fortfarande avgörande för identifiering, kontaktspårning och inneslutning av infektion.

Vårt forskarteam, med stöd av våra australiska medarbetare, är nära att slutföra en årslång strävan att utveckla kommersiella kvantiteter av lokalt anskaffade magnetiska nanopartiklar – en nyckel som saknas i ett helt australiensiskt tillverkat testkit för COVID-19.

Medan antikroppstester (som används vid de flesta australiska testcenter) kan visa vilka personer som redan har exponerats och har utvecklat ett immunsvar, polymeraskedjereaktion (PCR)-tester är guldstandarden för att avgöra om en person för närvarande är infekterad.

Många australiensare, och faktiskt många människor över hela världen, kommer att vara bekant med covid-19 'svabbtestet." En bomullsspets torkas först runt baksidan av halsen och förs sedan in djupt i båda näsborrarna - en udda och obehaglig känsla.

Covid-tester:bakom kulisserna

Den del du inte ser då händer är i laboratoriet, där tekniker analyserar provet för RNA – det genetiska materialet i SARS-CoV-2 – det covid-19-orsakande viruset.

En kritisk del av denna laboratorieprocess är att separera det genetiska materialet (känd som nukleinsyra) från det andra biologiska materialet som samlas in på provpinnen. Detta uppnås med hjälp av magnetiska kiseldioxidnanopartiklar.

Dessa nanopartiklar är vanligtvis bara några hundra nanometer stora (en miljondels millimeter) och består av en kärna av magnetiskt material belagd i ett tunt skal av kiseldioxid (glas), som tillsätts till en injektionsflaska som innehåller pensellösningen.

Ett speciellt salt tillsätts som gör att alla nukleinsyror från pinnen reversibelt fastnar på kiseldioxidskalet.

Eftersom nanopartiklarna är magnetiska, nukleinsyrorna kan nu samlas upp och separeras från alla andra oönskade biomaterial i pinnen med en enkel magnet.

De renade nukleinsyrorna är sedan obundna från de magnetiska kiseldioxidnanopartiklarna, och ett PCR-test utförs för att kontrollera om något SARS-CoV-2-virus-RNA är närvarande.

Den saknade ingrediensen

När pandemin slog till, dock, magnetiska nanopartiklar av kiseldioxid producerades inte i Australien, och eftersom det fortfarande inte finns några lokala producenter, Australiska testkittillverkare måste köpa dem från utlandet.

Den kraftigt ökade globala efterfrågan på dessa partiklar har drivit upp kostnaderna, stör leveranskedjor, och begränsning av tillgängligheten av magnetiska pärlor till tillverkare av australiensiska bomullspinnar.

Den australiska regeringen inrättade en arbetsgrupp för COVID-testkit, som i mars 2020, bad om hjälp från vårt nanovetenskapslaboratorium för att hjälpa till att producera magnetiska kiseldioxidpartiklar lokalt, bygga en garanterad leverans för minst 100, 000 covid-tester per vecka.

Men det fanns några problem.

För det första, kommersiella partiklar produceras utomlands med proprietära metoder som inte är allmänt tillgängliga, så innan vi kunde skapa ett australiensiskt förråd, vi skulle behöva komma på en egen metod för att producera fungerande magnetiska kiseldioxidnanopartiklar.

Lyckligtvis, vid ARC Center of Excellence in Exciton Science, vi har arbetat med att tillverka magnetiska nanopartiklar för andra applikationer inklusive kvantpricksyntes, så vi kunde snabbt designa och testa metoder för att göra en lämplig produkt.

Lokal produktion under en pandemi

Det andra problemet var att det var 2020, och vi var i Melbourne. Med de stränga rörelsebegränsningarna på plats under större delen av året, nästan all personal och studenter kunde inte delta på universitetets Parkville campus.

Dock, vårt lilla team av forskare fick tillstånd att ockupera plats i den till stor del övergivna Kemiskolan för att möta denna viktiga utmaning.

Det sista problemet var ett skalaproblem.

Varje testkit kräver ungefär fem mikrogram kiseldioxidpartiklar, och så för att möta 100, 000 tester per vecka, vårt ursprungliga mål var att göra 500 gram magnetiska nanopartiklar per vecka.

Vi hade den kemiska kunskapen, men för ett forskningslabb som är vant att göra små reaktioner och producera mindre än ett gram produkt, vi hade inte tillgång till all nödvändig utrustning.

För att få en uppfattning om hur stort detta problem var, tänk dig att bli tillsagd att göra tillräckligt med pastasås för tusen personer — i ditt hemkök.

För att uppnå denna enorma skalaökning, vi etablerade samarbeten med flera australiensiska företag inklusive Scaled Organics i Melbourne, som gjorde sina pilotreaktorer tillgängliga för att producera de mängder material vi krävde.

Den Sydney-baserade tillverkaren av COVID-testkit, Genetic Signatures, kunde sedan verifiera om varje batch av nanopartiklar var lämpliga för ändamålet i en riktig COVID-testsituation.

Vi hade också stöd från Monash Center for Electron Microscopy och Australian Synchrotron för arbete med att avbilda kommersiella prover av nanopartiklarna och jämföra dem med våra testsatser.

Ett enkelt recept

Reaktionen behövde vara enkel och med relativt få steg, för att minimera kostnader och andra hinder för skalbarhet.

Under månader av långa timmar och dygnet-runt-arbete, vi identifierade, optimerad, verifierade och skalade upp en syntes av kiseldioxidbelagda magnetiska nanopartiklar.

Men det fanns ett hak.

Vi märkte en förändring i färg på nanopartikelproverna kort efter syntes, som föranledde spekulationer om att nanopartiklarnas kristallstruktur förändrades från magnetit (Fe₃O4) till maghemit (Fe₂O3) över tiden.

Inser vikten av projektet, Australian Nuclear Science and Technology Organisation (ANSTO) gav oss prioriterad tillgång till deras efterfrågade utrustning, en X-Ray Absorbance Spectroscopy (XAS) strållinje vid Australian Synchrotron, för att lösa denna fråga.

Det är inte lätt att särskilja de två kristallstrukturerna eftersom de är väldigt lika, men röntgenabsorptionsspektroskopi kan lätt skilja dem åt. Från resultaten, vi bestämde att ett av salterna som vi tillsatte till reaktionsblandningen drev bildningen av en kristallstruktur och inte den andra (dessa resultat kommer att publiceras vid ett senare tillfälle).

Vi kunde sedan hitta den optimala saltkoncentrationen för att producera magnetit, vilket är att föredra eftersom det är mer magnetiskt än maghemit, och fungerar bättre inom de färdiga nanopartiklarna.

Mot ett australiskt gjort test

Att utveckla en produkt som kan matcha motsvarande utländska kommersiella erbjudanden, vi har kört över 500 experiment med små partier för att optimera varje del av produktionen, inklusive tjockleken på kiseldioxidbeläggningen, reagensförhållandena och koncentrationerna, och även olika reningsmetoder.

Med förbehåll för verifiering i kliniska tester, våra nanopartiklar kan snart användas för att leverera magnetiska nanopartiklar av kiseldioxid till ett australiensiskt tillverkat testkit för covid-19 – när vi fortsätter att ta oss an utmaningarna i denna aldrig tidigare skådade globala hälsonödsituation.