Momenteel, we streven ernaar om de verspreiding van COVID-19 in te dammen. Hoewel grootschalige beperkingen het virus kunnen belemmeren, nauwkeurige en snelle diagnostische tests kunnen gezondheidsdiensten helpen om het virus beter te monitoren en in te dammen. Voor deze, geschikte testapparatuur nodig is, zoals die op basis van lab-on-chip-technologieën waarbij testmonsters worden gemengd met detectiemoleculen die zich aan het virus binden en vervolgens een signaal zoals licht uitzenden. Voor haar Ph.D. Onderzoek, Sophia E. Shanko onderzocht hoe dit bindingsproces kan worden versneld met behulp van magnetische deeltjesmenging, die aanzienlijke implicaties kunnen hebben voor toekomstige diagnostische testapparatuur. Shanko verdedigt haar proefschrift op 10 mei bij de faculteit Werktuigbouwkunde.

COVID-19 kent geen grenzen of grenzen en heeft zich als een lopend vuurtje door landen en continenten verspreid. Terwijl maatschappelijke beperkingen, zoals opsluitingen, de verspreiding ervan kan beperken, de behoefte aan snelle diagnostische tests op het punt van zorg blijft bestaan.

"Snel testen zorgt voor snelle identificatie van gevallen, en het aanbieden van snelle en geschikte behandelingen voor geïnfecteerde personen, " zegt Sophia Shanko, doctoraat onderzoeker in de onderzoeksgroep Microsystems onder begeleiding van Jaap den Toonder. "Dergelijke tests zouden mensen niet alleen helpen om tijdige behandelingen te krijgen, maar ook besluitvormers informeren die vervolgens lokale inperkingsmaatregelen kunnen opleggen. En dergelijke tests zijn niet alleen voor COVID-19, ze kunnen in de toekomst worden gebruikt om te testen op andere virale infecties."

Lab-on-chip-apparaten

Veel nieuwe en innovatieve testapparaten zijn gebaseerd op lab-on-chip-technologieën. Deze apparaten hebben tal van voordelen zoals een breed toepassingsgebied, kleine maat, en snelle analysemogelijkheden. Bij deze apparaten een monster (zoals bloed), die moet worden getest op een doelmolecuul (zoals een antilichaam dat de aanwezigheid van een virus signaleert), wordt gemengd met een vloeistof die detectiemoleculen bevat die aan het doelmolecuul kunnen binden. Als het doelwit aanwezig is, binding met het detectiemolecuul genereert een signaal zoals licht.

"Het bindingsproces in deze apparaten moet snel en nauwkeurig zijn, en dit kan worden bereikt door ervoor te zorgen dat de detectiemoleculen zo snel mogelijk grondig worden gemengd met het testmonster, " zegt Shanko, die ook FameLab TU/e ​​2020 won waar ze sprak over haar Ph.D. Onderzoek. "De zeer kleine afmetingen van lab-on-chip-technologieën laten alleen mengen door moleculaire diffusie toe, de inherente beweging van moleculen in een vloeistof als gevolg van temperatuur- en concentratieverschillen. Echter, dit is een tijdrovend proces."

ZWEMMEN

De nadelige effecten van langzame moleculaire diffusie kunnen gedeeltelijk teniet worden gedaan met behulp van passieve of actieve methoden. Voor de voormalige geometrische structuren zijn opgenomen in het testapparaat, terwijl in het laatste krachten van buitenaf, zoals magnetische krachten, kan worden gebruikt om de stroom op een gecontroleerde manier te veranderen. Deze laatste zijn onderzocht om hoge en gecontroleerde mengmogelijkheden te produceren tegen relatief lage kosten.

In haar onderzoek heeft Shanko wendde zich tot magnetische krachten om moleculaire diffusie te versnellen, en op zijn beurt het detectieproces versnellen door de kans op bindingsgebeurtenissen van doelwitdetectiemoleculen te vergroten. "Het mengen van magnetische deeltjes (of microbeads) met de testmonsters en detectiemoleculen heeft tal van voordelen. We kunnen de beweging van deze deeltjes controleren met behulp van externe magnetische velden, en cruciaal is dat deze deeltjes de detectieprestaties niet belemmeren."

De sterkte en de frequentie van het externe magnetische veld spelen een sleutelrol bij het dicteren hoe de microbeads in de vloeistof bewegen, wat op zijn beurt de menging beïnvloedt. "Er is een 'sweet spot' voor de parameters die het magnetische veld regelen, waar de microbeads bewegen in patronen zoals die te zien zijn bij het zwermen van vogels. Het mengen van de kralen met het testmonster leidt dan tot een snellere binding tussen de doelen en de detectiemoleculen, en een sneller testresultaat."

Op paddenstoelen en microflappen

Microbead swarming is een voorbeeld van dynamisch mengen, maar Shanko keek ook naar alternatieven voor het genereren van dynamische menging, waar de magnetische kralen worden gecontroleerd door externe statische paddestoelvormige magnetische structuren om deze vermenging te helpen induceren. Het is wetenschappelijk zeer interessant om te zien hoe de magnetische kralen zich gedragen en om de vloeistofkinetiek te observeren die ze, beurtelings, oorzaak. "Hoewel de paddestoelvormige structuren zeer hoge vloeistofsnelheden kunnen genereren die een efficiënte menging kunnen veroorzaken, ze hadden uiteindelijk een negatief effect op het algehele mengproces."

Eindelijk, Shanko keek naar de opname van magnetische flappen die waren bevestigd aan de basis van lab-on-chip-apparaten die werden bestuurd met behulp van het externe magnetische veld. "De microflappen verbeteren de menging van de detectiemoleculen in het monster, maar verdere experimenten zijn nodig om hun effect beter te begrijpen."

Denkende toepassingen en de toekomst

Nu COVID-19 de wereld nog steeds stevig in zijn greep houdt, nauwkeurige diagnostische tests voor het virus zullen nog enige tijd nodig zijn. "De pandemie heeft ons laten zien dat er behoefte is aan snelle en effectieve diagnostische tests. Mijn onderzoek toont aan dat de detectie van antilichaammoleculen in lab-on-chip-apparaten kan worden versneld door het gebruik van magnetische microbeads en externe magnetische velden. Deze technologie is die nodig zijn voor de toekomst om ons te helpen de aanwezigheid en verspreiding van uitbraken in de toekomst beter te monitoren."

Voor deze FameLab TU/e ​​winnaar, de volgende stap is de ontwikkeling van haar diagnostische start-up. Shanko:"Ik ben erg blij met het resultaat van mijn promotieonderzoek dat wordt vertaald in verschillende wetenschappelijke artikelen. Het is geweldig om te zien dat micro-mixing van magnetische kralen het potentieel heeft voor snelle en zeer nauwkeurige diagnostiek. Hoewel mijn Ph. D. loopt op zijn einde, mijn liefde voor diagnostiek is nog maar in het begin."