Un team internazionale di ricercatori ha sviluppato un sensore a basso costo realizzato in plastica semiconduttiva che può essere utilizzato per diagnosticare o monitorare un’ampia gamma di condizioni di salute, come complicazioni chirurgiche o malattie neurodegenerative.
Il sensore può misurare la quantità di metaboliti critici, come il lattato o il glucosio, che sono presenti nel sudore, nelle lacrime, nella saliva o nel sangue e, se incorporati in un dispositivo diagnostico , potrebbero consentire il monitoraggio rapido delle condizioni di salute , in modo economico e accurato. Il nuovo dispositivo ha un design molto più semplice rispetto ai sensori esistenti e apre una vasta gamma di nuove possibilità per il monitoraggio della salute fino al livello cellulare. I risultati sono riportati nella rivista Science Advances.
Il dispositivo è stato sviluppato da un gruppo di scienziati guidato dall’Università di Cambridge e dalla King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) in Arabia Saudita. Le materie plastiche semiconduttive come quelle utilizzate nel lavoro quotidiano sono state sviluppate per l’uso nelle celle solari e nell’elettronica flessibile, ma non hanno ancora visto un uso diffuso nelle applicazioni biologiche.
“Nel nostro lavoro, abbiamo superato molte delle limitazioni dei convenzionali biosensori elettrochimici che incorporano gli enzimi come materiale di rilevamento”, ha detto l’autore principale, la dott.ssa Anna-Maria Pappa, ricercatrice post-dottorato presso il Dipartimento di ingegneria chimica e biotecnologia di Cambridge. “Nei biosensori convenzionali, la comunicazione tra l’elettrodo del sensore e il materiale di rilevamento non è molto efficiente, quindi è stato necessario aggiungere cavi molecolari per facilitare e” amplificare “il segnale.”
Per costruire il loro sensore, Pappa e i suoi colleghi hanno usato un polimero di nuova sintesi sviluppato presso l’Imperial College che funge da filo molecolare, accettando direttamente gli elettroni prodotti durante le reazioni elettrochimiche. Quando il materiale entra in contatto con un liquido come sudore, lacrime o sangue, assorbe ioni e rigonfiamenti, unendosi al liquido. Questo porta a una sensibilità significativamente più alta rispetto ai sensori tradizionali realizzati con elettrodi metallici.
Inoltre, quando i sensori sono incorporati in circuiti più complessi, come i transistor, il segnale può essere amplificato e rispondere a piccole fluttuazioni nella concentrazione del metabolita, nonostante le dimensioni minuscole dei dispositivi.
I test iniziali dei sensori sono stati utilizzati per misurare i livelli di lattato, utile nelle applicazioni di fitness o per monitorare i pazienti dopo l’intervento. Tuttavia, secondo i ricercatori, il sensore può essere facilmente modificato per rilevare altri metaboliti, come glucosio o colesterolo, incorporando l’enzima appropriato e il range di concentrazione che il sensore può rilevare per essere regolato cambiando la geometria del dispositivo.
“Questa è la prima volta che è stato possibile utilizzare un polimero accettante l’elettrone che può essere adattato per migliorare la comunicazione con gli enzimi, coneentendo il rilevamento diretto di un metabolita: questo non è stato semplice fino ad ora”, ha detto Pappa. “Si aprono nuove direzioni nel biosensing, dove i materiali possono essere progettati per interagire con uno specifico metabolita, con il risultato di avere sensori molto più sensibili e selettivi .”
Poiché il sensore non è costituito da metalli come oro o platino, può essere fabbricato a un costo inferiore ed essere facilmente incorporato in substrati flessibili ed estensibili, consentendo la loro implementazione in applicazioni di rilevamento indossabili o impiantabili.
“Un dispositivo impiantabile potrebbe permetterci di monitorare l’ attività metabolica del cervello in tempo reale e in condizioni di stress, come durante o immediatamente prima di una crisi e potrebbe essere usato per predire le convulsioni o per valutare il trattamento”, ha detto Pappa.
I ricercatori ora progettano di sviluppare il sensore per monitorare l’attività metabolica delle cellule umane in tempo reale all’esterno del corpo. Il gruppo di sistemi e tecnologie bioelettronici su cui si basa Pappa è focalizzato sullo sviluppo di modelli che possano imitare da vicino i nostri organi, insieme a tecnologie che possano valutarli accuratamente in tempo reale. La tecnologia dei sensori sviluppata può essere utilizzata con questi modelli per testare la potenza o la tossicità dei farmaci.