(Phys.org) —Als het gaat om nanogeneeskunde, kleiner is - verrassend genoeg - niet altijd beter.

Onderzoekers van de UCLA Henry Samueli School of Engineering en Applied Science hebben vastgesteld dat de kleine omvang van op nanodraad gebaseerde biosensoren - die gezondheidswerkers gebruiken om eiwitten te detecteren die het begin van hartfalen markeren, kanker en andere gezondheidsrisico's - is niet wat ze gevoeliger maakt dan andere diagnostische apparaten. Liever, het belangrijkste is het samenspel tussen de geladen ionen in het biologische monster dat wordt getest en de geladen eiwitten die op het oppervlak van de sensoren zijn vastgelegd.

De bevinding weerlegt jarenlange conventionele wijsheid dat een biosensor gevoeliger kan worden gemaakt door simpelweg de diameter van de nanodraden waaruit het apparaat bestaat te verkleinen. Deze veronderstelling heeft geleid tot honderden kostbare onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen op het gebied van nanogeneeskunde, waarbij kleine materialen en apparaten worden gebruikt om te detecteren, ziekte diagnosticeren en behandelen.

Het onderzoek suggereert nieuwe richtingen voor het ontwerpen van biosensoren om hun gevoeligheid te verbeteren en ze praktischer te maken voor artsen - en, eventueel, patiënten zelf - te gebruiken.

"Dit is de eerste keer dat het begrip waarom nanodraad biosensing werkt wordt uitgedaagd, " zei Chi On Chui, een universitair hoofddocent elektrotechniek en bio-engineering aan de UCLA, wiens laboratorium het onderzoek heeft uitgevoerd. "Het voordeel zit niet in het feit dat de draden op nanoschaal zijn, maar eerder hoe hun geometrie het vermogen van de ionen om eiwitdetectie te remmen vermindert. Dit onderzoek zou een stap kunnen zijn in de richting van de ontwikkeling van geavanceerde, kostenefficiënte en draagbare apparaten om een ​​reeks ziekten nauwkeurig te detecteren."

Het onderzoek is op 25 maart gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

Nanodraad biosensoren zijn, in essentie, elektronische transistors met een diameter die kleiner is dan de breedte van een enkele rode bloedcel. Wanneer ze worden blootgesteld aan een bloedmonster of een andere lichaamsvloeistof, de specifieke geladen eiwitten waarop wordt getest, worden gevangen op de oppervlakken van de nanodraden. De lading van de gevangen eiwitten verandert de snelheid van de elektrische stroom die door de nanodraadtransistor vloeit. Door de elektrische stroom te bewaken, onderzoekers kunnen de concentratie van eiwitten in het monster kwantificeren, die hen een indicatie kunnen geven van de gezondheid van het hart, diabetes en een aantal andere medische aandoeningen.

Een uitdaging voor het praktische gebruik van de technologie is dat naast de geladen eiwitten, veel fysiologische vloeistoffen bevatten een grote concentratie aan geladen ionen, zoals natrium, kalium en chloride. Deze ionen omringen de eiwitten en maskeren de eiwitlading, waardoor de sensor de eiwitten niet kan detecteren.

Onderzoekers in laboratoria kunnen dit probleem omzeilen. Maar artsen die tests uitvoeren op hun patiënten of patiënten die hun eigen gezondheid thuis controleren, kunnen dit niet doen zonder de hulp van een technicus. Dit belemmert de adoptie van de technologie.

Het UCLA-onderzoek bevordert op verschillende manieren het begrip van de efficiëntie van nanodraden. Eerst, het bewijst dat de kleine omvang van de nanodraden niet inherent verantwoordelijk is voor het feit dat ze beter presteren dan hun vlakke tegenhangers.

Tweede, het laat zien dat de prestatieverbetering het gevolg is van het feit dat ionische screening wordt verminderd in krappe ruimtes - zoals de hoeken tussen een nanodraad en de basis waarop het zit - omdat ionen daar moeilijk eiwitten kunnen naderen. Dit hoekeffect bestaat in de meeste biosensing-structuren, of ze nu op nanoschaal zijn of niet; maar het effect wordt belangrijker op nanoschaal.

Uit het onderzoek blijkt ook dat in het algemeen apparaten met concave oppervlakken werken efficiënter dan die met convexe oppervlakken.

"Mijn hoop is dat onderzoekers dit inzicht kunnen gebruiken om twee dingen te doen, " zei Kaveh Shoorideh, de UCLA Engineering-afgestudeerde student die de eerste auteur van het onderzoek is. "Eerst, om gevoelige biosensoren te maken zonder dure nanodraden te gebruiken, en ten tweede, om manieren te bedenken om ionische screening te verminderen zonder dat een technicus nodig is."