Onderzoekers van het Fraunhofer Instituut voor Betrouwbaarheid en Micro-integratie IZM hebben de handen ineen geslagen met partners in de industrie en de zorg om een ​​handig op grafeenoxide gebaseerd sensorplatform te ontwikkelen om acute infecties zoals sepsis of de antistoffen tegen het coronavirus binnen enkele minuten op te sporen.

De huidige situatie met de COVID-19-pandemie onderstreept het belang van het snel en nauwkeurig detecteren van infecties om verdere verspreiding te voorkomen. Vandaag, symptomen bieden de aanwijzingen die helpen bij het diagnosticeren van virale of bacteriële infecties. Echter, veel infecties hebben vergelijkbare symptomen, dus deze tekens kunnen gemakkelijk verkeerd worden gelezen en de ziekte wordt verkeerd gediagnosticeerd. Bloedonderzoek geeft zekerheid, maar laboratoria voeren deze alleen uit op voorschrift van de huisarts. Tegen de tijd dat de resultaten uit het laboratorium komen, artsen hebben vaak een antibioticum voorgeschreven dat misschien niet nodig is.

Slechts één druppel bloed voor een diagnose

Onderzoekers van het Fraunhofer IZM in Berlijn werken sinds april 2018 aan het project Graph-POC op een op grafeenoxide gebaseerd sensorplatform om precies deze uitdagingen aan te gaan bij het diagnosticeren van infecties. Een enkele druppel bloed of speeksel is voldoende om een ​​nauwkeurige analyse uit te voeren. Slechts een paar minuten nadat de druppel op het oppervlak van de sensor is aangebracht, elektrische signalen geven het testresultaat door aan de huisartsenpraktijk. Deze sneltest geeft binnen slechts 15 minuten zekerheid ter vervanging van het langdurige bloedonderzoek in het lab. Het haalt de fout en het giswerk uit de diagnose, zodat de arts de juiste behandeling of geschikte antibiotica kan voorschrijven.

De test kan ook worden opgezet om antilichamen te detecteren die aanwezig zijn nadat een patiënt is hersteld van een infectie. Fraunhofer IZM-onderzoekers richten zich nu op deze toepassing om eerdere besmettingen met het COVID-19-virus op te sporen, die kan helpen bij pogingen om te traceren hoe de infectie zich heeft verspreid. Het menselijk lichaam vormt als reactie op een infectie moleculen of eiwitten die biomarkers worden genoemd. Vang moleculen die op het oppervlak van de op grafeen gebaseerde sensor zijn geplaatst om deze biomarkers te detecteren. Differentiële metingen van de concentratie van biomarkers bepalen of er een infectie aanwezig is.

3D-structuur om het meetoppervlak te vergroten

Het meest opmerkelijke kenmerk van dit sensorplatform is het basismateriaal:elektrisch geleidend en biocompatibel, grafeenoxide is ook een zeer betrouwbaar detectiemiddel. Daten, het is alleen gebruikt in de micro-elektronica in zijn oorspronkelijke vorm, een 2D-monolaag. Fraunhofer IZM-onderzoekers passen het nu toe in een 3D-structuur in de vorm van vlokken. Deze 3D-vorm vergroot het meetoppervlak en de nauwkeurigheid van metingen.

Manuel Bauscher, wetenschapper bij Fraunhofer IZM en subprojectmanager bij Graph-POC, ziet grote perspectieven voor deze grafeenoxidesensoren:"We kunnen vanuit het huidige medische veld draaien om ons ook te ontwikkelen in de richting van het punt van behoefte; dat wil zeggen, milieutechnologie en de detectie van milieueffecten. Maar natuurlijk heeft de corona-toepassing onze eerste prioriteit." De 3D-array en verhoogde gevoeligheid van de grafeenoxidevlokken openen ook de deur naar verdere toepassingen. het kan zelfs bij kamertemperatuur schadelijke gassen detecteren, zoals koolmonoxide of aceton. Zoals het staat, deze gassen moeten eerst worden verwarmd om een ​​oppervlaktereactie teweeg te brengen die de huidige sensoren kunnen detecteren. De grafeenoxidesensor reageert bij lagere temperaturen wanneer metaaloxiden zich hechten aan het gevoelige oppervlak.

Fraunhofer IZM-onderzoekers gaan een nieuwe uitdaging aan om het productieproces op te schalen voor massaproductie:ze willen de grafeenoxidecoating op waferniveau aanbrengen, zodat honderden chips tegelijk kunnen worden verwerkt.

Antilichamen aantoonbaar na besmetting met coronavirus in ongeveer een jaar

De op grafeenoxide gebaseerde sensoren moeten worden geïntegreerd in een plastic drager en de betrouwbaarheid van het systeem moet worden getest voordat de sneltests kunnen worden ingezet. Hoewel het oorspronkelijke project om infecties op te sporen tot het voorjaar van 2021 loopt, de onderzoekers verwachten de sensor nog geen jaar te kunnen verifiëren op het coronavirus. De partners in dit project zijn de Charité, Aptarion Biotech AG, Technische Universität Berlijn, MicroDiscovery GmbH en alpha-board GmbH. Het wordt gefinancierd door het Duitse federale ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF).