Med hjälp av additiv tillverkning och nanoteknik utvecklar forskare vid Carnegie Mellon University en sensor för att upptäcka nivåer av signalsubstansen dopamin ner till femtomolära koncentrationer. Kredit:Advanced Manufacturing and Materials Laboratory, Carnegie Mellon University
En grupp forskare inom maskinteknik från Carnegie Mellon University har flyttat gränserna för diagnostiska tester till en nivå som aldrig tidigare skådats.
Forskarna, ledda av Rahul Panat, docent i maskinteknik, har utvecklat ett sensorsystem som framgångsrikt kunde detektera nivåer av signalsubstansen dopamin ner till femtomolära koncentrationer. De har publicerat sina resultat i Nature Communications .
För att sätta det i perspektiv, föreställ dig att hälla mindre än ett gram dopamin i Oregons Crater Lake, den djupaste sjön i USA. Denna sensor kan upptäcka det.
"Vi har brutit en grundläggande barriär för gränsen för detektion för biomolekyler," förklarade Azahar Ali, huvudförfattaren till tidningen. Med andra ord är detta den minsta koncentrationen av dopamin som någonsin har kunnat detekteras på ett tillförlitligt sätt.
Detta otroliga genombrott uppnåddes genom att utnyttja kraften hos additiv tillverkning och nanoteknik för att skapa ett otroligt känsligt detektionssystem, bestående av en tredimensionell elektrod placerad i en mikrofluidisk kanal, där prover pumpas igenom.
Tidigare elektroder bestod av en tvådimensionell detekteringsyta, som inte kunde detektera allt mindre koncentrationer av målmolekyler eftersom de flesta av dem skulle flyta förbi utan att interagera. För att tänja på den gränsen måste elektrodens detektionsområde flytta in i den tredje dimensionen för att hjälpa till att "fånga" molekylerna när de rör sig genom den.
För att uppnå detta använde teamet en teknik som kallas aerosoljet 3D nanopartikelutskrift, vilket gör att de kan bygga små mikropelare med silvernanopartiklar. Varje droppe tillsattes ovanpå den föregående och sintrades samman tills en ihålig pelare bildades. Sedan täcktes de med små flingor av grafenoxid, vilket ytterligare ökade pelarens yta och hjälpte till att detektera dopamin.
Men varför dopamin? Det är en viktig signalmolekyl i hjärnan och kroppen, vanligtvis förknippad med att kontrollera ditt humör. Men det spelar också en roll i flera neurodegenerativa sjukdomar, inklusive schizofreni, Alzheimers och beroende. Det kan finnas i blodet, men i mycket låga nivåer.
Den här enhetens höga känslighet kan göra det möjligt för en läkare att ta en liten droppe blod och testa dopamins närvaro, vilket skapar en minimalt invasiv diagnostisk metod. Detta kan möjliggöra tidigare, enklare tester för dessa åkommor, vilket potentiellt kan rädda liv. Panat anser att framsteg som detta är långt efter.
"Jag tror att industrin för biomedicinsk utrustning har hamnat på efterkälken när det gäller att komma ikapp med framstegen inom miniatyrisering och framsteg inom mikroelektronik. Och vi i akademin kan hjälpa till att ändra på det", säger han.
Förra året använde hans team ett liknande mikropelarsystem för att utveckla ett snabbt Covid-19-antikroppstest. Enhetens relativa enkelhet gör dock att den kan anpassas för att detektera en mängd olika molekyler, från antikroppar till signalsubstanser till många saker däremellan.
De framtida riktningarna för detta system är nästan oändliga. Flera elektroder kan placeras i en enhet för att skapa ett multiplexsystem, som kan detektera flera olika biomarkörer samtidigt. Eller så kan den integreras i en ny form av bärbar teknologi, som kan detektera elektrolytnivåer.
Oavsett var vi ser denna teknik implementerad, gjordes den dock möjlig genom att använda tekniska verktyg och strategier för att ta itu med ett befintligt problem från en annan disciplin. Resultatet är en innovativ lösning som kommer att bidra till att definiera framtidens medicin. + Utforska vidare
