Al lang bestaande uitdagingen in biomedisch onderzoek, zoals het monitoren van de chemie van de hersenen en het volgen van de verspreiding van medicijnen door het lichaam, vereisen veel kleinere en nauwkeurigere sensoren. Een nieuwe sensor op nanoschaal die gebieden kan monitoren die 1000 keer kleiner zijn dan de huidige technologie en die subtiele veranderingen in de chemische inhoud van biologisch weefsel kan volgen met een resolutie van minder dan een seconde, wat aanzienlijk beter presteert dan standaardtechnologieën.

Het apparaat, ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign, is gebaseerd op silicium en maakt gebruik van technieken die zijn ontwikkeld voor de productie van micro-elektronica. Dankzij het kleine formaat van het apparaat kan het in een fractie van een seconde met een efficiëntie van bijna 100% chemische inhoud verzamelen uit zeer gelokaliseerde weefselgebieden. De mogelijkheden van dit nieuwe nanodialyse-apparaat worden gerapporteerd in het tijdschrift ACS Nano .

"Met ons nanodialyse-apparaat nemen we een gevestigde techniek en duwen deze naar een nieuw uiterste, waardoor biomedische onderzoeksproblemen die voorheen onmogelijk waren, nu heel haalbaar worden", zegt Yurii Vlasov, hoogleraar elektrotechniek en computertechniek aan de U. of I. en co-auteur. -leider van de studie. "Omdat onze apparaten bovendien op silicium zijn gemaakt met behulp van micro-elektronische fabricagetechnieken, kunnen ze op grote schaal worden vervaardigd en ingezet."

Van micro- tot nanodialyse

Nanodialyse is gebaseerd op een techniek genaamd microdialyse, waarbij een sonde met een dun membraan in biologisch weefsel wordt ingebracht. Chemicaliën passeren het membraan in een vloeistof die wordt weggepompt voor analyse. De mogelijkheid om rechtstreeks monsters uit weefsel te nemen heeft een grote impact gehad op gebieden als de neurowetenschappen, farmacologie en dermatologie.

Traditionele microdialyse heeft echter beperkingen. De probes nemen monsters vanaf enkele vierkante millimeters, waardoor ze alleen de gemiddelde samenstelling over relatief grote gebieden in het weefsel kunnen meten. Het grote formaat resulteert ook in enige mate van weefselbeschadiging wanneer de sonde wordt ingebracht, waardoor de analyseresultaten mogelijk vertekend zijn. Ten slotte stroomt de vloeistof die door de sonde wordt gepompt met een relatief hoge snelheid, wat invloed heeft op de efficiëntie en nauwkeurigheid waarmee chemische concentraties kunnen worden afgelezen.

"Veel problemen met traditionele microdialyse kunnen worden opgelost door een veel kleiner apparaat te gebruiken," zei Vlasov. "Kleiner worden met nanodialyse betekent meer precisie, minder schade door de plaatsing van het weefsel, het chemisch in kaart brengen van het weefsel met een hogere ruimtelijke resolutie en een veel snellere uitleestijd waardoor een gedetailleerder beeld ontstaat van de veranderingen in de weefselchemie."

Langzaam en gestaag

Het belangrijkste kenmerk van nanodialyse is de ultralage stroomsnelheid van de vloeistof die door de sonde wordt gepompt. Door de stroomsnelheid 1000 keer langzamer te maken dan bij traditionele microdialyse, registreert het apparaat de chemische samenstelling van het weefsel dat wordt verzameld in een gebied dat 1000 keer kleiner is dan bij traditionele technieken, terwijl de efficiëntie 100% behouden blijft.

"Door de stroomsnelheid drastisch te verlagen, kunnen de chemicaliën die in de sonde diffunderen, overeenkomen met de concentraties buiten in het weefsel", legt Vlasov uit. "Stel je voor dat je kleurstof toevoegt aan een leiding met stromend water. Als de stroom te snel is, wordt de kleurstof verdund tot moeilijk waarneembare concentraties. Om verdunning te voorkomen, moet je het water bijna helemaal naar beneden draaien."

Siliciumfabricage en productie

Standaard microdialyse-apparaten zijn gemaakt met behulp van glazen sondes en polymeermembranen, waardoor het een uitdaging is om ze te miniaturiseren. Om apparaten te bouwen die geschikt zijn voor nanodialyse, gebruikten de onderzoekers technieken die waren ontwikkeld voor de productie van elektronische chips om een ​​apparaat op basis van silicium te maken.

"Siliciumtechnologie zorgt er niet alleen voor dat we kleiner kunnen worden, maar maakt de apparaten ook goedkoper", zegt Vlasov. "Door de tijd en moeite te steken in het ontwikkelen van een fabricageproces voor het bouwen van onze nano-apparaten op silicium, is het nu heel eenvoudig om ze op industriële schaal te produceren tegen ongelooflijk lage kosten."

Rashid Bashir, hoogleraar bio-ingenieurswetenschappen aan de U. of I. en decaan van The Grainger College of Engineering, leidde het project mede.

Meer informatie: Insu Park et al., Zeer gelokaliseerde chemische bemonstering met een temporele resolutie van minder dan een seconde mogelijk gemaakt met een silicium-nanodialyseplatform met stromen van nanoliter per minuut, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c09776

Aangeboden door Grainger College of Engineering van de Universiteit van Illinois