Печатные наночастицы для селективных молекул открывают путь к массовому производству носимых биосенсоров
Инженеры из Калифорнийского технологического института разработали метод струйной печати массивов специальных наночастиц, который позволяет массово производить долговечные носимые сенсоры для пота. Эти сенсоры могут в реальном времени отслеживать различные биомаркеры, такие как витамины, гормоны, метаболиты и лекарства.
Носимые биосенсоры с новыми наночастицами уже успешно использовались для мониторинга метаболитов у пациентов с long COVID и уровней химиотерапевтических препаратов у онкологических пациентов в медицинском центре City of Hope в Калифорнии.
Как работают наночастицы
Исследователи описывают наночастицы как кубические наночастицы типа "ядро-оболочка". Кубики формируются в растворе, содержащем целевую молекулу (например, витамин C). При спонтанной сборке полимера эта молекула оказывается захваченной внутри наночастицы.
Затем с помощью растворителя молекулы витамина C удаляются, оставляя после себя молекулярно импринтированную полимерную оболочку с отверстиями, форма которых точно соответствует форме молекул витамина C — подобно искусственным антителам.
Ключевым нововведением стало сочетание этой полимерной оболочки с ядром из гексацианоферрата никеля (NiHCF). Этот материал может окисляться или восстанавливаться под действием электрического напряжения при контакте с биологическими жидкостями, такими как пот.
Когда отверстия в оболочке свободны, жидкость контактирует с ядром NiHCF, генерируя электрический сигнал. Когда целевые молекулы (например, витамин C) занимают эти отверстия, контакт жидкости с ядром блокируется, и сигнал ослабевает. Сила сигнала коррелирует с концентрацией целевой молекулы.
"Это ядро критически важно. Гексацианоферрат никеля высокостабилен даже в биологических жидкостях, что делает эти сенсоры идеальными для долгосрочных измерений", — говорит Вэй Гао, профессор медицинской инженерии и ведущий автор статьи в журнале Nature Materials.
Универсальность и применение
Новые наночастицы универсальны и позволяют печатать сенсорные массивы для измерения уровней множества молекул (аминокислот, метаболитов, гормонов, лекарств) с использованием нескольких "чернил" из наночастиц в одном массиве.
В работе исследователи напечатали сенсор, одновременно измеряющий:
Этот мультиплексный сенсор был затем произведен массово. Все три молекулы представляют интерес для изучения пациентов с long COVID.
Аналогично были созданы носимые сенсоры, специфичные к трем различным противоопухолевым препаратам, которые тестировались на онкологических пациентах.
"Продемонстрировав потенциал этой технологии, мы смогли дистанционно отслеживать количество противораковых препаратов в организме в любой момент времени. Это указывает путь к цели персонализации дозировки не только при раке, но и при многих других состояниях", — отмечает Гао.
В статье также показано, что наночастицы можно использовать для печати сенсоров, имплантируемых под кожу для точного мониторинга уровня лекарств в организме.