בעולם המתמודד עם שפע של איומים בריאותיים -; החל מווירוסים המתפשטים במהירות ועד למחלות כרוניות וחיידקים עמידים לתרופות -; הצורך בבדיקות אבחון ביתיות מהירות, אמינות וקלות לשימוש מעולם לא היה גדול יותר. תארו לעצמכם עתיד שבו ניתן לבצע את הבדיקות הללו בכל מקום, על ידי כל אחד, באמצעות מכשיר קטן ונייד כמו השעון החכם שלכם. לשם כך, אתה צריך מיקרו-שבבים המסוגלים לזהות ריכוזים זעירים של וירוסים או חיידקים באוויר.
כעת, מחקר חדש מפקולטת Tandon של NYU, כולל פרופסור להנדסת חשמל ומחשבים Davood Shahrjerdi; הרמן פ. מארק פרופסור בהנדסה כימית וביו-מולקולרית אליסה רידו; וג'וזפה דה פפו, פרופסור חבר לתעשייה בהנדסה כימית וביו-מולקולרית ומי שהיה בעבר במירימוס, מראים שאפשר לפתח ולבנות מיקרו-שבבים שיכולים לא רק לזהות מספר מחלות מדגימת שיעול או אוויר בודדת, אלא גם מיוצרים בקנה מידה גדול. .
"מחקר זה פותח אופקים חדשים בתחום הביוסנסינג. מיקרו-שבבים, עמוד השדרה של סמארטפונים, מחשבים ומכשירים חכמים אחרים, שינו את הדרך שבה אנשים מתקשרים, מבדרים ועובדים. בדומה, היום, הטכנולוגיה שלנו תאפשר למיקרו-שבבים לחולל מהפכה בתחום הבריאות. , מאבחון רפואי, לבריאות סביבתית" אומר רידו,
הטכנולוגיה החדשנית שהודגמה במאמר זה משתמשת בטרנזיסטורי אפקט שדה (FET) -; חיישנים אלקטרוניים מיניאטוריים המזהים ישירות סמנים ביולוגיים וממירים אותם לאותות דיגיטליים -; מציע אלטרנטיבה לבדיקות אבחון כימיות מסורתיות מבוססות צבע כמו בדיקות הריון ביתיות."
Davood Shahrjerdi, פרופסור להנדסת חשמל ומחשבים, NYU Tandon
"גישה מתקדמת זו מאפשרת תוצאות מהירות יותר, בדיקות למספר מחלות בו-זמנית והעברת נתונים מיידית לספקי שירותי בריאות", אומר שרג'רדי, שהוא גם מנהל ה-NYU Nanofabrication Cleanroom, מתקן חדיש שבו חלק מהשבבים המשמשים במחקר זה היו מפוברקים. Riedo ו-Shahrjerdi הם גם המנהלים המשותפים של יוזמת NYU NanoBioX.
טרנזיסטורי אפקט שדה, מרכיב עיקרי של האלקטרוניקה המודרנית, מופיעים ככלים רבי עוצמה בחיפוש אחר מכשירי אבחון. ניתן להתאים את המכשירים הזעירים הללו לתפקד כחיישנים ביולוגיים, לזהות פתוגנים ספציפיים או סמנים ביולוגיים בזמן אמת, ללא צורך בתוויות כימיות או תהליכי מעבדה ארוכים. על ידי המרת אינטראקציות ביולוגיות לאותות חשמליים הניתנים למדידה, חיישנים ביולוגיים מבוססי FET מציעים פלטפורמה מהירה ורב-תכליתית לאבחון.
ההתקדמות האחרונה דחפה את יכולות הזיהוי של חיישני FET לרמות קטנות להפליא -; עד לריכוזים פמטומולריים, או רבעון אחד של שומה -; על ידי שילוב חומרים ננומטריים כגון ננו-חוטים, אינדיום אוקסיד וגרפן. עם זאת, למרות הפוטנציאל שלהם, חיישנים מבוססי FET עדיין עומדים בפני אתגר משמעותי: הם נאבקים לזהות מספר פתוגנים או סמנים ביולוגיים בו-זמנית על אותו שבב. שיטות נוכחיות להתאמה אישית של חיישנים אלה, כגון יציקת בי-רצפטורים כמו נוגדנים על פני השטח של ה-FET, חסרות את הדיוק והמדרגיות הנדרשות למשימות אבחון מורכבות יותר.
כדי להתמודד עם זה, חוקרים אלה בוחנים דרכים חדשות לשנות משטחי FET, המאפשרים להתאים לכל טרנזיסטור בשבב כדי לזהות סמן ביולוגי אחר. זה יאפשר זיהוי מקביל של פתוגנים מרובים.
היכנסו לליטוגרפיה תרמית של בדיקה תרמית (tSPL), טכנולוגיה פורצת דרך שעשויה להחזיק את המפתח להתגברות על המחסומים הללו. טכניקה זו מאפשרת דפוס כימי מדויק של שבב מצופה פולימר, המאפשרת פונקציונליזציה של FETs בודדים עם קולטנים ביולוגיים שונים, כגון נוגדנים או aptamers, ברזולוציות עד 20 ננומטר. זה דומה לגודל הזעיר של טרנזיסטורים בשבבי המוליכים למחצה המתקדמים של ימינו. בכך שהיא מאפשרת שינוי סלקטיבי ביותר של כל טרנזיסטור, שיטה זו פותחת את הדלת לפיתוח חיישנים מבוססי FET שיכולים לזהות מגוון רחב של פתוגנים בשבב בודד, ברגישות שאין שני לה.
Riedo, שהיה גורם מרכזי בפיתוח והפצה של טכנולוגיית tSPL, רואה שהשימוש בה כאן מהווה עדות נוספת לדרך פורצת הדרך שבה ניתן להשתמש בטכניקת ננו-ייצור זו ביישומים מעשיים. "tSPL, כיום טכנולוגיה ליטוגרפית זמינה מסחרית, הייתה המפתח לפונקציונליזציה של כל FET עם קולטנים ביו שונים על מנת להשיג ריבוי", היא אומרת.
בבדיקות, חיישני FET המתפקדים באמצעות tSPL הראו ביצועים יוצאי דופן, וזיהו עד 3 ריכוזים אטומולריים (aM) של חלבוני ספייק SARS-CoV-2 ועד 10 חלקיקי וירוס חיים למיליליטר, תוך הבחנה יעילה בין סוגים שונים של וירוסים. , כולל שפעת A. היכולת לזהות בצורה מהימנה כמויות זעירות כאלה של פתוגנים עם סגוליות גבוהה היא צעד קריטי לקראת יצירת מכשירי אבחון ניידים שיוכלו יום אחד לשמש במגוון הגדרות, מבתי חולים ועד בתים.
המחקר, שפורסם כעת על ידי האגודה המלכותית לכימיה ב בקנה מידה ננו, נתמך על ידי Mirimus, חברת ביוטכנולוגיה מברוקלין, ו-LendLease, חברת בנייה ונדל"ן רב לאומית שבסיסה באוסטרליה. הם עובדים עם צוות NYU Tandon כדי לפתח מכשירים לבישים לזיהוי מחלות ומכשירים ביתיים, בהתאמה.
"מחקר זה מראה את כוחו של שיתוף הפעולה בין התעשייה והאקדמיה, וכיצד הוא יכול לשנות את פני הרפואה המודרנית", אומר פרם פרמסירות, נשיא ומנכ"ל מירימוס. "החוקרים של NYU Tandon מייצרים עבודה שתמלא תפקיד גדול בעתיד של גילוי מחלות."
"חברות כמו Lendlease ומפתחים אחרים המעורבים בהתחדשות עירונית מחפשות פתרונות חדשניים כמו זה כדי לחוש איומים ביולוגיים בבניינים". אומר אלברטו סנג'ובאני וינסנטלי מאוניברסיטת ברקלי, משתף פעולה בפרויקט. "אמצעי הגנה ביולוגית כמו זה יהיו רובד תשתית חדש עבור בנייני העתיד"
ככל שייצור המוליכים למחצה ממשיך להתקדם, תוך שילוב מיליארדי FETs בקנה מידה ננומטרי על גבי שבבים, הפוטנציאל לשימוש בשבבים אלה ביישומי חישה ביולוגית הופך ליותר ויותר אפשרי. שיטה אוניברסלית ניתנת להרחבה לפונקציונליזציה של משטחי FET בדיוק ננומטרי תאפשר יצירת כלי אבחון מתוחכמים, המסוגלים לזהות מחלות מרובות בזמן אמת, בסוג המהירות והדיוק שיכולים לשנות את הרפואה המודרנית.
