Il nuovo sensore può misurare le concentrazioni di zucchero sconosciute in tempo reale
WASHINGTON — I ricercatori hanno sfruttato le proprietà di guida della luce della seta di ragno per sviluppare un sensore in grado di rilevare e misurare piccoli cambiamenti nell’indice di rifrazione di una soluzione biologica, compreso il glucosio e altri tipi di soluzioni zuccherine. Il nuovo sensore basato sulla luce potrebbe un giorno essere utile per misurare la glicemia e altri analiti biochimici.
“I sensori di glucosio sono fondamentali per le persone con diabete, ma questi dispositivi tendono ad essere invasivi, scomodi e non convenienti”, ha affermato il leader del team di ricerca Cheng-Yang Liu della National Yang Ming Chiao Tung University di Taiwan. “Con la seta di ragno che attira l’attenzione per le sue proprietà optomeccaniche superiori, abbiamo voluto esplorare l’utilizzo di questo materiale biocompatibile per rilevare otticamente varie concentrazioni di zucchero in tempo reale”.
Liu e colleghi del Taiwan Instrument Research Institute e della Taipei Medical University descrivono il loro nuovo sensore sulla rivista Biomedical Optics Express dell’Optica Publishing Group . Dimostrano che può essere utilizzato per determinare le concentrazioni di fruttosio, saccarosio e zuccheri del glucosio in base alle variazioni dell’indice di rifrazione di una soluzione. La seta di ragno è l’ideale per questa applicazione perché non solo può trasmettere la luce come una fibra ottica ma è anche molto resistente ed elastica.
“Il nostro nuovo sensore di zucchero in fibra ottica a base di seta di ragno è pratico, compatto, biocompatibile, conveniente e altamente sensibile”, ha affermato Liu. “Con un ulteriore sviluppo, potrebbe portare a migliori dispositivi di monitoraggio medico a domicilio e dispositivi diagnostici e di test point-of-care”.
CREDITO
Cheng-Yang Liu, Università Nazionale Yang Ming Chiao Tung
Dalla seta al sensore
Per realizzare il sensore, i ricercatori hanno raccolto la seta di ragno dragline dal gigantesco ragno di legno Nephila pilipes , originario di Taiwan. Hanno avvolto la seta, che ha un diametro di appena 10 micron, con una resina fotopolimerizzabile biocompatibile e l’hanno polimerizzata per formare una superficie protettiva liscia. Ciò ha creato una struttura in fibra ottica con un diametro di 100 micron, con la seta di ragno che fungeva da nucleo e la resina da rivestimento. Hanno quindi aggiunto un nanostrato d’oro biocompatibile per migliorare le capacità di rilevamento della fibra.
Questo processo formava una struttura filiforme con due estremità. Per utilizzare la fibra per effettuare misurazioni, i ricercatori hanno immerso un’estremità in un campione liquido e hanno collegato l’altra estremità a una sorgente di luce e uno spettrometro. Ciò ha permesso ai ricercatori di rilevare l’indice di rifrazione della soluzione e di utilizzarlo per determinare il tipo di zucchero e la sua concentrazione.
“Il sensore dello zucchero a base di seta di ragno è riutilizzabile, conveniente, facile da usare e offre un rilevamento in tempo reale”, ha affermato Liu. “Inoltre, poiché è compatto, potrebbe consentire l’accesso ad aree difficili da raggiungere come il cervello e il cuore. Con un ulteriore sviluppo, si spera anche che questo sensore di zucchero in fibra ottica a base di seta possa essere utilizzato in dispositivi medici impiantabili e strategie di trattamento in applicazioni biomediche”.
Letture coerenti e accurate
Per testare la ripetibilità e la stabilità del sensore nel tempo, i ricercatori lo hanno utilizzato per misurare soluzioni con concentrazioni sconosciute di fruttosio, saccarosio o zuccheri del glucosio a temperatura ambiente. Le misurazioni sono state ripetute ciascuna 10 volte a intervalli di 5 minuti.
Per determinare quantitativamente le prestazioni del sensore in fibra ottica a base di seta, i ricercatori hanno confrontato gli spettri di intensità luminosa prodotti dal sensore con le misurazioni dell’indice di rifrazione acquisite con un rifrattometro commerciale. Il sensore è stato in grado di identificare il tipo di zucchero nella soluzione e di fornire una lettura della concentrazione.
“La precisione di misurazione e la sensibilità di rilevamento che abbiamo raggiunto suggeriscono che il sensore può stimare con precisione la concentrazione di una soluzione di zucchero sconosciuta”, ha affermato Liu. “Inoltre, la sensibilità di rilevamento per il nostro sensore proposto comprende completamente la gamma di concentrazioni di zucchero presenti nel sangue umano”.
Prima che il sensore possa essere utilizzato per misurazioni in tempo reale in una clinica o in un dispositivo per uso domestico, sarà necessario migliorarne l’accuratezza e migliorarne la stabilità ai cambiamenti ambientali in modo che possa essere utilizzato per periodi di tempo più lunghi.
I ricercatori stanno anche lavorando a un software che consentirebbe di utilizzare il sensore con dispositivi mobili per letture point-of-care. Vogliono anche estendere la funzionalità del sensore in modo che possa essere utilizzato per misurare diversi componenti biochimici nel sangue umano come lattosio e grasso.
Carta : H.-P. E, JA Ngan Kong, WC-C. Chen, CC-C. Chen, C.-H. Cheng, C.-Y. Liu “Sensore di zucchero a fibra ottica di metallo-dielettrico a base di seta di ragno biocompatibile”, Biomed. Optare. Express, volume 13, numero 9 (2022).
DOI:10.1354/BOE.462573.
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