یک دستگاه جدید – یک حسگر بیولوژیکی در داخل یک نانوتراشه – که می‌تواند عفونت‌های باکتریایی را در مدت 10 تا 15 دقیقه شناسایی کند، در سال 2016 در دسترس خواهد بود.

این دستگاه که توسط تیمی از دانشمندان دانشگاه Stellenbosch آفریقای جنوبی ابداع شده است، در حال حاضر در حال ثبت اختراع است. آژانس نوآوری فناوری یک نمونه اولیه را در آماده سازی برای تجاری سازی تا آوریل 2016 تامین مالی کرده است.

ارگانیسم های بیماری زا حدود 250 میلیون نفر را در سال آلوده می کنند. حداقل 8 درصد، حدود 20 میلیون نفر می میرند. تشخیص زودهنگام عفونت ها می تواند از بسیاری از مرگ و میرها جلوگیری کند.

از زمانی که نانوچیپ به عنوان پروژه دانشگاه در سپتامبر 2014 اعلام شد، پیشرفت هایی در توسعه مکانیسم های حسگر اضافی، افزایش قابلیت های آن حاصل شده است.

چگونه نانوچیپ متولد شد

نانوتراشه برای تشخیص زودهنگام عفونت پس از ملاقاتی تصادفی بین نویسنده و میکروبیولوژیست لئون دیکس ، متخصص در زمینه ابررساناها و دستگاه‌های نانوالکتریکی به دست آمد.

در حین بحث در مورد تحقیقات فعلی، ما موافقت کردیم که برای یافتن راهی برای تشخیص زودهنگام و دقیق عفونت ها کار کنیم.

اساس تحقیق ما پیزوالکتریک بود ، که چگونه کریستال ها انرژی مکانیکی را به الکتریسیته یا بالعکس تبدیل می کنند.

سنسوری که برای این منظور ساخته شده است شامل یک نانوتراشه است که با مولکول‌های اکسید روی روی هم قرار گرفته است تا میلیون‌ها نانوسیم ایجاد کند.

انرژی پیزوالکتریک نقش کلیدی در فرآیند شناسایی دارد. وقتی مواد خاصی مانند سیم‌های اکسید روی فشرده یا فشرده می‌شوند، در پاسخ به تنش مکانیکی اعمال شده، بار الکتریکی تولید می‌کنند. کوچکترین اختلال در ساختار نانوسیم های روی تراشه منجر به انرژی پیزوالکتریک می شود. سپس این انرژی الکتریکی به انرژی الکتریکی تبدیل شده و برای تولید یک ولتاژ خوانش تقویت می شود.

میکروارگانیسم هایی مانند باکتری ها به عنوان میکروارگانیسم های تاژک دار شناخته می شوند. تاژک ها تقریباً مانند دم های کوچکی هستند که به ارگانیسم چسبیده اند. حرکت شدید تاژک ها برای به حرکت درآوردن موجودات زنده با سرعت بسیار بالا استفاده می شود. این حرکات به دلیل اثر پیزوالکتریک، نانوسیم ها را برای تولید یک سیگنال الکترونیکی مختل می کند.

طعم بیولوژیکی

این نانوتراشه از یک بستر انعطاف‌پذیر استفاده می‌کند که با حرکت بدن فرد، الکتریسیته تولید می‌کند، به عنوان مثال، باتری یک دستگاه الکترونیکی مانند ضربان‌ساز را شارژ می‌کند .

برای اینکه بتوان از نانوتراشه برای تشخیص عفونت استفاده کرد، طعم بیولوژیکی به حسگر و کاربرد آن با افزودن یک فریب که باکتری‌های خاص را جذب می‌کند، اضافه شد. یک تراشه سیلیکونی به ابعاد 1 سانتی‌متر مربع با مولکول‌های اکسید روی روی هم چیده شد تا یک نانوسیم ایجاد شود.

این مفهوم با اتصال مولکول های لیزوزیم به نوک هر نانوسیم آزمایش شد. باکتری باستر لیزوزیم برای آزمایش انتخاب شد زیرا در بزاق، اشک و شیر انسان به وفور وجود دارد.

به محض اینکه آنتی‌بادی‌های مخصوص لیزوزیم به نانوسیم‌ها می‌چسبند، مولکول‌های اکسید روی دوباره هم‌تراز شدند. این حرکت با تغییر در خروجی الکتریکی در 15 دقیقه تشخیص داده شد. آنتی بادی های مخصوص لیزوزوم به مولکول های لیزوزوم چسبیده اند. حرکت ناشی از این فرآیند جذب و اتصال، نانوسیم ها را مختل کرد و در نتیجه سیگنال الکتریکی تولید شد.

چیزی که ما پیدا کردیم

تحقیقات نشان داد که نانوسیم‌های اکسید روی مبدل‌های نانونیروی پیزوالکتریک امیدوارکننده‌ای هستند که ممکن است در سیستم‌های تشخیص بیومولکولی توسعه یابند.

اتصال آنتی بادی ها به سطح حسگر زیستی نشان دهنده یک اثر پیزوالکتریک قوی بر روی سیگنال حسگر زیستی است. حسگر زیستی نانونیروی طراحی شده رابطه خطی را با توجه به خروجی ولتاژ و غلظت آنتی بادی نشان داد.

نتایج نشان داد که تشخیص فعل و انفعالات زیست مولکولی با جفت کردن ویژگی‌های پیزوترونیک و حسگر زیستی نانوسیم‌های اکسید روی امکان‌پذیر است.

این یعنی چی

بیمار در حال بلعیدن کپسول حاوی نانوتراشه برای تشخیص عفونت های ناشی از عوامل بیماری زا مانند E.coli، V.cholera یا Salmonella بلافاصله علت بیماری خود را می داند.

تولید آنتی بادی ها مکانیسم طبیعی انسان و حیوان برای مبارزه با عفونت های باکتریایی است. آنتی‌بادی‌ها مختص پاتوژن‌ها هستند و با انتخاب آنتی‌بادی‌های خاص برای اتصال به حسگر پیزوالکتریک، تشخیص پاتوژن خاصی که برای آن آزمایش می‌شود امکان‌پذیر می‌شود.

بنابراین، امکان استفاده از این مفهوم برای تشخیص عفونت‌های مختلف یا وجود انواع مختلف باکتری بسیار زیاد است.

استفاده از یک نانوتراشه اختصاصی آنتی ژن می‌تواند بستری عالی برای آزمایش کیفیت آب در مناطق دورافتاده روستایی فراهم کند.

آزمایش برای عفونت های باکتریایی خاص لزوماً نباید در داخل بدن بیمار انجام شود. یک قطره خون یا خلط بیمار را می‌توان برای بیماری‌هایی مانند سل در یک ایستگاه آزمایش نانوتراشه دستی در خارج از بدن آزمایش کرد.

علاوه بر این، روش حسگر بیولوژیکی نانوتراشه می‌تواند نقش مهمی در تشخیص و کنترل عفونت بعد از عمل داشته باشد. جراحان می توانند یک نانوچیپ را در حین جراحی قلب باز یا ارتوپدی کاشت کنند. با انجام این کار، آن‌ها به عفونت‌هایی که تشخیص زودهنگام و درمان آن کلیدی است، توجه می‌کنند.

فواید

استفاده از انرژی پیزوالکتریک تنها وسیله ممکن برای تشخیص بیماری نیست. این حسگر همچنین از اثر پیزوالکتریک برای شناسایی پاتوژن ها با اتصال آنتی بادی به سنسور استفاده می کند. سنسور پاتوژن های خاص را جذب می کند.

مکانیسم های دیگری را می توان برای تشخیص وجود پاتوژن ها در بدن بیمار استفاده کرد. این مکانیسم ها همچنین از آنتی بادی ها به عنوان طعمه استفاده می کنند.

روش تشخیص می تواند نوری باشد، زمانی که پاتوژن های جذب شده با انتقال نور از طریق فیبر نوری پوشیده شده با ساختار داربست با آنتی بادی های متصل به آن تداخل می کنند. هنگامی که پاتوژن ها مقاومت یک ساختار حسگر را تغییر می دهند ممکن است مقاومتی باشد. هنگامی که پاتوژن ها ثابت دی الکتریک ساختار حسگر را تغییر می دهند خازنی است.

هنگامی که پاتوژن ها مقاومت یک ساختار حسگر را تغییر می دهند ممکن است مقاومتی باشد. هنگامی که پاتوژن ها ثابت دی الکتریک ساختار حسگر را تغییر می دهند خازنی است.

ما به ساختارهای حسی مختلف نگاه می کنیم، بدیهی است که آنتی بادی های متصل به آن، برای استفاده از تکنیک های حسی متفاوت. روش های دیگر، از جمله تکنیک های سنجش نوری، مقاومتی و خازنی، در حال حاضر در حال بررسی هستند.

جدای از نجات جان انسان‌ها با تشخیص زودهنگام و درمان عفونت‌ها، رویکرد حسگر بیولوژیکی نانوتراشه در صورت تولید در مقیاس بزرگ می‌تواند به یک روش تشخیصی ارزان‌تر تبدیل شود. هزینه ها کاهش می یابد.