Tufts-ingenieurs onthullen draagbare sensor om pathogenen, toxinen en gevaarlijke chemicaliën te detecteren

Tufts University, Medford, MA

Een drone waarin de romps ingebouwd is met sensormateriaal. (Afbeelding: SilkLab)

Biopolymeer-sensorplatform

Onderzoekers aan de Tufts School of Engineering hebben een methode ontwikkeld om bacteriën, toxinen en gevaarlijke chemicaliën in de omgeving te detecteren met een biopolymeersensor die als inkt geprint kan worden op een breed scala aan materialen — inclusief draagbare artikelen.

Met behulp van een enzym vergelijkbaar met dat van vuurvliegjes, licht de sensor — gebaseerd op computationeel ontworpen proteïnen en zijdefibroïne geëxtraheerd uit de cocoons van de zijdemot Bombyx Mori — op wanneer het deze onzichtbare dreigingen detecteert.

De biopolymeersensor kan ook in films, sponsen en filters worden ingebouwd, of als plastic gevormd worden om lucht- en watergebonden gevaren te bemonsteren en te detecteren of om infecties in ons lichaam te signaleren.

De sensoren vereisen momenteel een spray met een niet-toxisch chemisch middel na potentiële blootstelling aan bacteriën, toxinen en gevaarlijke chemicaliën. Als het doelwit aanwezig is, genereert de sensor licht; de intensiteit van het uitgezonden licht biedt een kwantitatieve maat voor de concentratie van het doelwit.

„De combinatie van in het lab ontworpen proteïnen en zijde is een sensorplatform dat aangepast kan worden om een breed scala aan chemische en biologische agenten met een hoge mate van specificiteit en gevoeligheid te detecteren,” zei Professor Fiorenzo Omenetto, Directeur, Tufts SilkLab. „Bijvoorbeeld, SARS-CoV-2 en anti-hepatitis B-antistoffen kunnen gemeten worden op niveaus die benaderen thuisassays.”

Het sensorische element is modulair, zodat ontwikkelaars nieuwe ontworpen proteïnen kunnen inruilen om specifieke pathogenen of moleculen te vangen om te meten, terwijl het lichtgevende mechanisme hetzelfde blijft.

„Met de sensor kunnen we sporen van door de lucht overgebrachte SARS-CoV-2 oppikken, of we kunnen het voorstellen aan te passen aan wat de volgende volksgezondheidsdreiging ook mag zijn,” zei Omenetto.

Vormgeving en toepassingen

De sensoren kunnen diverse vormen aannemen, zoals bewijst door het onderzoeksteam virale-sensing drones te creëren waarin hun romps ingebouwd was met het sensormateriaal. Tijdens de vlucht sturen de propellers de luchtstroom door het poreuze lichaam van de drone, dat na landing kan worden onderzocht. De drones, die in dit geval reageerden op door de lucht overgebrachte pathogenen, kunnen monitoring van omgevingen vanaf een veilige afstand mogelijk maken.

De onderzoekers testten de houdbaarheid van materialen ingebouwd met SARS-CoV-2-sensoren na opslag bij 60 °C gedurende vier maanden en vonden zeer weinig prestatieverandering.

„Dit betekent dat we deze sensorinterfaces kunnen fabriceren, distribueren en voor lange periodes opslaan zonder verlies van gevoeligheid of nauwkeurigheid en zonder de noodzaak voor gekoelde opslag, wat opmerkelijk is aangezien ze van proteïnen gemaakt zijn,” zei Luciana d'Amone, project medeleider. Daarnaast kan het de formaten van de sensoren uitbreiden.

„Bijvoorbeeld, je kunt chirurgische maskers maken die pathogenen kunnen detecteren, ze in dozen verpakken, en ze over tijd gebruiken net als conventionele maskers,” zei d'Amone. „We toonden ook aan dat je de sensor in voedselverpakking kunt printen om bederf en toxinen te volgen. Je kunt zoveel producten die we elke dag gebruiken aanpassen om sensing te bevatten, en ze opslaan en gebruiken zoals je normaal zou doen.”

Het team voorziet sensorapplicaties variërend van persoonlijke en patiëntmonitoring en infectiebeheersing in gezondheidszorginstellingen tot omgevingsensing in huis, werkplek, militair, en rampgebieden.

Voor meer informatie, neem contact op met Mike Silver via dit e-mailadres (beveiligd tegen spambots, JavaScript vereist); 617-627-0545.