Långvariga utmaningar inom biomedicinsk forskning som att övervaka hjärnans kemi och spåra spridningen av läkemedel genom kroppen kräver mycket mindre och mer exakta sensorer. En ny sensor i nanoskala som kan övervaka områden som är 1 000 gånger mindre än nuvarande teknologi och kan spåra subtila förändringar i det kemiska innehållet i biologisk vävnad med en upplösning på undersekund, vilket avsevärt överträffar standardtekniken.
Enheten, utvecklad av forskare vid University of Illinois Urbana-Champaign, är kiselbaserad och drar fördel av tekniker som utvecklats för tillverkning av mikroelektronik. Den lilla enhetens storlek gör att den kan samla in kemiskt innehåll med nästan 100 % effektivitet från mycket lokaliserade vävnadsområden på en bråkdel av en sekund. Möjligheterna hos denna nya nanodialysenhet rapporteras i tidskriften ACS Nano .
"Med vår nanodialysapparat tar vi en etablerad teknik och driver den till en ny ytterlighet, vilket gör biomedicinska forskningsproblem som var omöjliga förut fullt genomförbara nu", säger Yurii Vlasov, professor i el- och datorteknik från U. of I. -ledare för studien. "Dessutom, eftersom våra enheter är tillverkade av kisel med hjälp av mikroelektroniktillverkningstekniker, kan de tillverkas och användas i stor skala."
Nanodialys bygger på en teknik som kallas mikrodialys där en sond med ett tunt membran förs in i biologisk vävnad. Kemikalier passerar genom membranet till en vätska som pumpas bort för analys. Möjligheten att direkt ta prov från vävnad har haft stor inverkan inom områden som neurovetenskap, farmakologi och dermatologi.
Traditionell mikrodialys har dock begränsningar. Sonderna provar från några kvadratmillimeter, så de kan bara mäta den genomsnittliga sammansättningen över relativt stora områden i vävnaden. Den stora storleken resulterar också i en viss grad av vävnadsskada när sonden sätts in, vilket kan leda till snedvridning av analysresultaten. Slutligen strömmar vätskan som pumpas genom sonden i en jämförelsevis hög hastighet, vilket påverkar effektiviteten och noggrannheten med vilken kemikaliekoncentrationer kan avläsas.
"Många problem med traditionell mikrodialys kan lösas genom att använda en mycket mindre enhet," sa Vlasov. "Att bli mindre med nanodialys innebär mer precision, mindre skada från vävnadsplaceringen, kemisk kartläggning av vävnaden med högre rumslig upplösning och en mycket snabbare avläsningstid som tillåter en mer detaljerad bild av förändringarna i vävnadskemin."
Den viktigaste egenskapen för nanodialys är den ultralångsamma flödeshastigheten för vätskan som pumpas genom sonden. Genom att göra flödeshastigheten 1 000 gånger långsammare än traditionell mikrodialys, fångar enheten den kemiska sammansättningen av vävnaden som samlas in från ett område som är 1 000 gånger mindre än traditionella tekniker samtidigt som den bibehåller 100 % effektivitet.
"Genom att drastiskt minska flödeshastigheten tillåter det att kemikalierna som diffunderar in i sonden matchar koncentrationerna utanför vävnaden," förklarade Vlasov. "Föreställ dig att du tillsätter färg till ett rör med rinnande vatten. Om flödet är för snabbt späds färgen ut till koncentrationer som är svåra att upptäcka. För att undvika utspädning måste du vända vattnet nästan hela vägen ner."
Standardmikrodialysapparater är konstruerade med hjälp av glassonder och polymermembran, vilket gör dem till en utmaning att miniatyrisera. För att bygga enheter lämpliga för nanodialys använde forskarna tekniker utvecklade för tillverkning av elektroniska chip för att skapa en enhet baserad på kisel.
"Förutom att vi kan bli mindre gör kiselteknologin enheterna billigare," sa Vlasov. "Genom att lägga ner tid och ansträngning på att utveckla en tillverkningsprocess för att bygga våra nanoenheter på kisel, är det nu väldigt enkelt att tillverka dem i industriell skala till en otroligt låg kostnad."
Rashid Bashir, professor i bioteknik från U. of I. och dekanus vid The Grainger College of Engineering, ledde projektet.
Mer information: Insu Park et al, mycket lokaliserad kemisk provtagning vid sekundär temporär upplösning aktiverad med en kiselnanodialysplattform vid nanoliter per minutflöden, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c09776
Tillhandahålls av University of Illinois Grainger College of Engineering
