气溶胶喷射纳米级颗粒3D打印的COVID-19测试芯片可快速检测出抗体

3D打印生物医疗
2021
01/14
14:16
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来源:江苏激光联盟

据悉,来自卡内基梅隆大学的研究人员开发了一个基于纳米材料的生物传感平台,该平台可在几秒钟内检测出SARS-CoV-2特异性抗体,SARS-CoV-2是造成COVID-19大流行的病毒。除了测试外,该平台还将有助于准确量化患者对新疫苗的免疫反应。

近年来新出现的传染源(例如SARS-CoV,SARS-CoV-2,流感病毒,ZIKA病毒和埃博拉病毒)引起的快速传播流行病已严重影响人类健康,导致经济活动丧失,并对医疗保健系统构成挑战。2020年以来,SARS-CoV-2病毒导致的COVID-19在全球产生了重大影响。目前全世界范围内正在探索几种涉及先进材料的方法来治疗COVID-19。尽管这些努力涉及治疗方面,但先进的材料也可以用于创建新的范例来测试疾病,从而在对抗流行病方面发挥关键作用。快速检测到感染可以隔离患者并进行联系追踪,可以挽救生命并帮助恢复经济活动。即使在经济开放后,也可能会出现二次高峰,所以需要低成本、快速的方法来早期发现感染。尤其因为很大一部分传播疾病的患者是无症状的。另外,如果开发了通用设备,则可以大量用于检测多种疾病的生物标志物,从而有益于公共健康。

能够在几分钟(如果可能的话,几秒)之内,理想情况下是在感染后的几天内快速检测出SARS-CoV-2感染的抗体的检测方法目前迫切需要被开发。如果通过智能手机能够读出,这对于医疗不足的地区尤其有用。电化学传感是检测病原体或抗体的一种很有前景的方法。用这种方法,通过电化学转导检测抗体-抗原复合物的形成。但是,除了抗原和测定程序外,检测的灵敏度、特异性和速度还取决于电化学电池以及电极的几何形状和表面化学性质。在常规的电化学传感器中,电极通常是平面的2D结构,通常用纳米材料装饰以增加其表面积。

我们注意到,生物传感设备的复杂性随着微电子学的发展而发展,从生物MEMS到由先进的光刻技术制成的小型芯片实验室结构。最近,在微电子学中出现了涉及先进材料的基于纳米颗粒的3D打印方法,这些方法可以实现复杂的几何形状、材料组合和定制的微结构。在不同的增材制造方法中,Aerosol Jet(AJ)3D打印是一种使用雾化液滴流以10 μm的分辨率沉积纳米材料阵列的技术,已被用于制造各种电子设备。来自卡内基梅隆大学机械工程学副教授Rahul Panat带领的研究团队利用材料和制造领域的最新进展,例如纳米粒子3D打印技术,创建了一种可以快速检测COVID-19抗体的设备。他们的研究范围从脑机接口到生物监测设备。该研究成果发表在Advanced Materials杂志上。卡内基·梅隆大学的合作者包括匹兹堡大学(Pitt)和UPMC。
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图1. 通过Aerosol Jet纳米粒子3D打印的COVID-19测试芯片(3DcC)的制造过程示意图

生物传感平台是通过三维电极的3D纳米打印,用还原性氧化石墨烯(reduced‐graphene‐oxide, rGO)的纳米薄片覆盖电极并将特定的病毒抗原固定在rGO纳米薄片上而创建的。然后将电极与微流体装置集成,并用于标准电化学电池。当抗体被引入电极表面时,它们选择性地与抗原结合,改变通过阻抗谱检测的电路阻抗。

该测试平台可以在很小的一滴血液(约5微升)中识别出两种病毒的抗体,即S1蛋白和受体结合域(RBD)。抗体浓度可能极低,并且仍低于1皮摩尔(0.15纳克/毫升)。这种检测是通过手持式微流体设备内的电化学反应发生的,该反应几乎立即将结果发送到智能手机上的简单界面。

微小、便宜的金微柱状电极使用热烧结在一起的气溶胶液滴以纳米级进行印刷。这会导致粗糙,不规则的表面,从而增加微柱的表面积并增强电化学反应,其中抗体可以闩锁在电极上包覆的抗原上。特定的几何形状允许微柱加载更多的蛋白质进行检测,从而获得非常准确,快速的结果。
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▲图2. 3D打印微柱电极和3DcC传感器操作的功能化。a)表面处理(步骤1)之前的AJ-印刷金微柱。b)通过羧基化(COOH) rGO片材,通过简单的滴铸工艺(步骤2)。

该测试的错误率非常低,因为该设备中使用的抗体和抗原之间的结合反应具有很高的选择性。研究人员能够利用这种自然设计发挥自己的优势。

该结果是在COVID-19疫情期间的紧迫时刻提出的。由于他们的技术可以量化对疫苗接种的免疫反应,因此在当前环境下非常重要。
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▲通过气溶胶喷射纳米颗粒3D打印制成的COVID-19测试芯片的图像。图片来源供:卡内基梅隆大学先进制造和材料实验室

Panat与UPMC Hillman癌症中心的癌症病毒学计划负责人,Pitt的微生物学和分子遗传学教授高守江(Shou-Jiang Gao)合作。Panat先进制造和材料实验室的研究员Azahar Ali是该研究的主要作者。

对传染病的治疗和预防进行快速诊断是一个公共卫生问题,已超出当前的COVID-19范围。由于建议的传感平台具有通用性,因此可用于快速检测其他传染原(例如埃博拉,HIV)的生物标志物。这种快速有效的测试可能是控制疾病传播的游戏规则。

本文来源:Sensing of COVID-19 antibodies in seconds via aerosol jet nanoprinted reduced graphene oxide coated three dimensional electrodes. Advanced Materials. onlinelibrary.wiley.com/doi/fu … .1002/adma.202006647

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