Các nhà nghiên cứu đã kết hợp công trình nghiên cứu trước đây về kim siêu nhỏ không gây đau với các cảm biến có kích thước nano để tạo ra miếng dán cảm biến đeo được có khả năng theo dõi liên tục mức độ của loại kháng sinh 'tuyến phòng thủ cuối cùng'.
Kể từ khi phát hiện ra penicillin vào năm 1928, vi khuẩn đã tiến hóa theo nhiều cách để trốn tránh hoặc phớt lờ tác dụng của kháng sinh. Rất may, các nhà cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe có sẵn một kho thuốc kháng sinh được sử dụng không thường xuyên nhưng vẫn có hiệu quả chống lại các chủng vi khuẩn kháng thuốc.
Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia đã kết hợp nghiên cứu trước đây về kim siêu nhỏ không gây đau với cảm biến cỡ nano để tạo ra miếng dán cảm biến đeo được có khả năng theo dõi liên tục mức độ của một trong những loại kháng sinh này.
Alex Downs, thành viên Jill Hruby và trưởng dự án, cho biết loại kháng sinh cụ thể mà họ đang theo dõi là vancomycin, được sử dụng như tuyến phòng thủ cuối cùng để điều trị các bệnh nhiễm trùng nghiêm trọng do vi khuẩn. Bà nói thêm, việc theo dõi liên tục là rất quan trọng đối với vancomycin vì có phạm vi hẹp để tiêu diệt vi khuẩn một cách hiệu quả mà không gây hại cho bệnh nhân.
Philip Miller, kỹ sư y sinh Sandia, người tư vấn cho dự án, cho biết: “Đây là một ứng dụng tuyệt vời vì nó đòi hỏi sự kiểm soát chặt chẽ”. "Trong bối cảnh lâm sàng, điều đó sẽ xảy ra như thế nào khi bác sĩ kiểm tra bệnh nhân hàng giờ và yêu cầu đo vancomycin trong máu vào một thời điểm duy nhất. Ai đó sẽ đến lấy máu, gửi đến phòng khám và nhận được câu trả lời. quay lại vào lúc khác. Hệ thống của chúng tôi là một cách để giải quyết sự chậm trễ đó."
Các nhà nghiên cứu đã chia sẻ cách chế tạo những cảm biến này và kết quả thử nghiệm của họ trong một bài báo được công bố gần đây trên tạp chí khoa học Biosensors and Bioelectronics .
Chế tạo cảm biến microneedle điện hóa
Hệ thống cảm biến bắt đầu bằng một kim nhỏ có bán trên thị trường, thường được sử dụng trong bút insulin. Adam Bolotsky, một nhà khoa học vật liệu ở Sandia, lấy một sợi dây vàng phủ polymer có độ dày bằng ¼ sợi tóc người và cắt một đầu theo một góc. Sau đó, anh cẩn thận luồn sợi dây vàng vào kim, hàn nó vào một đầu nối và đảm bảo nó được cách điện. Các nhà nghiên cứu cũng chế tạo các điện cực tham chiếu và điện cực đếm theo cách tương tự, sử dụng dây bạc và bạch kim được tráng tương ứng bên trong các kim siêu nhỏ thương mại.
quảng cáo
Những chiếc kim này sau đó được chèn vào một miếng nhựa có kích thước bằng đồng đô la bạc, được thiết kế bởi các nhà công nghệ Bryan Weaver và Haley Bennett của Sandia. Downs cho biết, miếng vá này có chỗ cho chín microneedles nhưng có thể được điều chỉnh theo bất kỳ số lượng nào mong muốn. Trên bề mặt chéo, lộ ra của mỗi dây vàng, các nhà nghiên cứu gắn các cảm biến có kích thước nano về mặt hóa học.
Các cảm biến, được gọi là aptamer, là các chuỗi DNA có liên kết bề mặt ở một đầu và đầu kia là chất hóa học nhạy cảm với điện. Downs giải thích rằng khi DNA liên kết với kháng sinh vancomycin, nó sẽ thay đổi hình dạng, đưa hóa chất nhạy cảm về điện đến gần bề mặt vàng hơn. Chuyển động này làm tăng dòng điện được phát hiện bởi hệ thống cảm biến. Khi nồng độ vancomycin giảm, một số DNA sẽ trở lại hình dạng ban đầu và hình dạng này cũng được phát hiện bằng điện.
“Khả năng đảo ngược này rất hữu ích cho những việc như đo lường thời gian thực”, Downs nói. "Nếu bạn muốn biết nồng độ của một loại hóa chất nhất định có trong da hoặc trong máu tại bất kỳ thời điểm nào, thì việc có thể đo mức tăng và giảm là thực sự quan trọng."
Downs đã làm việc với cảm biến aptamer trong quá trình nghiên cứu tiến sĩ của cô ấy và mang kiến thức đó đến Sandia, nơi cô ấy làm việc để kết hợp nó với kiến thức chuyên môn của Sandia về những chiếc kim siêu nhỏ có thể cung cấp cho bác sĩ thông tin tương tự về việc lấy máu mà ít đau hơn.
Downs nói: “Tôi đã kết hợp kiến thức của mình về cảm biến dựa trên aptamer và giám sát thời gian thực với công nghệ mà Ronen Polsky và Phil Miller đã phát triển tại Sandia”. “Bằng cách tích hợp hai công cụ này, chúng tôi đã thu nhỏ đáng kể hệ thống cảm biến và xác minh rằng nó hoạt động bằng kim siêu nhỏ.”
(adv)
Downs cho biết, sau khi chế tạo các cảm biến microneedle, nhóm nghiên cứu đã kiểm tra xem liệu cảm biến microneedle có thể phát hiện vancomycin trong dung dịch muối mô phỏng các điều kiện bên trong cơ thể hay không. Sau khi thành công, họ đã thử nghiệm toàn bộ hệ thống, hoàn chỉnh với các điện cực tham chiếu và điện cực đếm, trong một giải pháp phức tạp hơn nhiều: máu bò không pha loãng. Hệ thống vẫn có thể phát hiện vancomycin.
Sau đó, để kiểm tra xem microneedles và aptamers có hoạt động hay không sau khi được đưa vào da, các nhà nghiên cứu đã chèn miếng dán vào da lợn nhiều lần, theo dõi tín hiệu điện tử từ miếng dán khi nó ở trong da và kiểm tra khả năng phát hiện vancomycin của nó. .
Downs nói: “Rất không chắc chắn liệu vật liệu này có duy trì tín hiệu khi bạn đưa nó vào da hay không. "Mỗi microneedle là một điện cực cảm biến riêng. Nếu các cảm biến không hình thành tiếp xúc điện tốt thì điều này thực sự sẽ không hoạt động. Đó là sự không chắc chắn lớn nhất và là điều chúng tôi chưa bao giờ thử nghiệm tại Sandia."
Downs và Miller cho biết kể từ khi thử nghiệm thành công hệ thống miếng dán cảm biến, bước tiếp theo là hợp tác với một nhóm nghiên cứu khác để thử nghiệm chúng trên người hoặc các động vật khác.
Miller nói: “Rào cản kỹ thuật lớn tiếp theo là chứng minh rằng nó hoạt động trong cơ thể trong một khoảng thời gian dài”.
Trong tương lai, một hệ thống tương tự với các aptamer DNA khác nhau có thể được sử dụng để theo dõi các cytokine, các protein nhỏ được sử dụng để truyền tải thông điệp trong cơ thể, cũng như các protein khác hoặc các phân tử nhỏ hơn thay đổi đáng kể trong quá trình lây nhiễm. Những hệ thống này có thể giúp bác sĩ chẩn đoán bệnh nhân mắc bệnh gì nhanh hơn hoặc thậm chí hỗ trợ phân loại bệnh trong các tình huống khẩn cấp.
Downs cũng đang nghiên cứu những thứ trong máu và da có thể "làm tắc nghẽn" các cảm biến và làm giảm độ chính xác của chúng theo thời gian. Cô cùng với thực tập sinh mùa hè Amelia Staats đã phát hiện ra rằng fibrinogen, một loại protein liên quan đến quá trình đông máu, là thủ phạm chính gây nhiễu tín hiệu. Các nhà nghiên cứu dự định công bố những phát hiện này trong một bài báo sắp tới.
Downs cho biết: “Hệ thống này thực sự có thể được sử dụng ở bất cứ nơi nào có những thay đổi lớn về mặt hóa học trong cơ thể, nơi bạn muốn đo lường những thay đổi đó theo thời gian để hiểu rõ hơn những gì đang xảy ra trong cơ thể”.
Nguồn Phòng thí nghiệm quốc gia DOE/Sandia
