Nieuw gezichtsprototypediagnosticeert COVID‑19 in 90 minuten met geavanceerde sensortechnologie

Ingenieurs hebben een nieuw gezichtsbescherming ontworpen die de drager kan diagnosticeren met COVID-19 binnen ongeveer 90 minuten. De maskers zijn ingesloten met kleine, eenmalige sensoren die in andere gezichtsmaskers kunnen passen en ook aangepast kunnen worden om andere virussen te detecteren.

De sensoren zijn gebaseerd op vriesgedroogde cellulaire machinerie die het onderzoeks team eerder ontwikkelde voor gebruik in papierdiagnostiek voor virussen zoals Ebola en Zika. In een nieuwe studie toonde het team aan dat de sensoren niet alleen in gezichtsmaskers maar ook in kleding zoals laboratoriakkers geïntegreerd kunnen worden, potentiëel een nieuwe manier biedend om gezondheidszorgwerkers' blootstelling aan een verscheidenheid aan pathogenen of andere dreigingen te monitoren.

Het team demonstreerde de capaciteit om een breed bereik van synthetische biologie sensoren vries te drogen om virale of bacteriële nucleïnezuren alsook giftige chemicaliën waaronder zenuwgiften te detecteren. De gezichtsensoren zijn zo ontworpen dat ze geactiveerd kunnen worden door de drager wanneer ze klaar zijn om de test uit te voeren en de resultaten worden alleen op de binnenkant van het masker getoond voor gebruikersprivacy.

De eiwritten en nucleïnezuren die nodig zijn om synthetische gennetwerken te creëren die reageren op specifieke doelwitmoleculen, kunnen in papier ingesloten worden. Een ander celfrij sensor systeem, bekend als SHERLOCK, is gebaseerd op CRISPR-enzymen en stelt uiterst gevoelige detectie van nucleïnezuren toe.

Deze celfrije circuitcomponenten worden vriesgedroogd en blijven maandenlang stabiel totdat ze gerehydrateerd worden. Wanneer geactiveerd door water, kunnen ze interacteren met hun doelwitmolecuul, wat elke RNA- of DNA-sequentie kan zijn alsook andere typen moleculen, en een signaal produceren zoals een kleurverandering. De onderzoekers begonnen te werken aan het incorporeren van deze sensoren in textielen, met het doel een laboratoriumjas te creëren voor gezondheidszorgwerkers of anderen met potentiële blootstelling aan pathogenen.

Eerst voerde het team een screening uit van honderden verschillende stoffen, van katoen en polyester tot wol en zijde, om te achterhalen welke compatibel mochten zijn met dit soort sensor. Het beste was een combinatie van polyester en andere synthetische vezels. Om draagbare sensoren te maken, bedden de onderzoekers hun vriesgedroogde componenten in een klein gedeelte van deze synthetische stof, waar ze omringd zijn door een ring van silicone elastomeer. Deze compartmentalisatie voorkomt dat het monster verdampt of diffuseert weg van de sensor. Om de technologie te demonstreren, creëerden de onderzoekers een jas ingesloten met ongeveer 30 van deze sensoren.

Ze toonden aan dat een kleine spat van vloeistof met virale deeltjes, nabootsend blootstelling aan een geïnfecteerde patiënt, de vriesgedroogde celcomponenten kan hydrateren en de sensor activeren. De sensoren kunnen ontworpen worden om verschillende typen signalen te produceren inclusief een kleurverandering die met het blote oog gezien kan worden of een fluorescerende of luminescerende signaal dat met een handgehouden spectrometer gelezen kan worden. Ze ontwierpen ook een draagbare spectrometer die in de stof geïntegreerd kon worden, waar het de resultaten kan lezen en draadloos doorsturen naar een mobiel apparaat.

Om de diagnostische gezichtsbescherming te produceren, bedde het team vriesgedroogde SHERLOCK-sensoren in een papiermasker. Net als bij de draagbare sensoren zijn de vriesgedroogde componenten omringd door silicone elastomeer. In dit geval worden de sensoren op de binnenkant van het masker geplaatst, zodat ze virale deeltjes in de adem van de persoon die het masker draagt kunnen detecteren.

Het masker bevat ook een klein reservoir water dat vrijgegeven wordt bij de druk op een knop wanneer de drager klaar is om de test uit te voeren. Dit hydrateert de vriesgedroogde componenten van de SARS-CoV-2 sensor, geaccumuleerde ademdruppels op de binnenkant van het masker analyseert en een resultaat binnen 90 minuten produceert.

De prototypes hebben sensoren op de binnenkant van het masker om de status van de gebruiker te detecteren alsook sensoren op de buitenkant van kleding om blootstelling uit de omgeving te detecteren. De onderzoekers kunnen ook sensoren voor andere pathogenen inclusief influenza, Ebola en Zika, of sensoren die ze ontwikkeld hebben om organofosfaat zenuwgiften te detecteren, inwisselen.