Об этом сообщает Science Blog. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Как дым указывает на пожар, примерно так же оксид азота сигнализирует о воспалении. Этот химический медиатор сам способствует воспалению, и исследователи отмечают, что он может слишком хорошо выполнять свою работу после разрывов передней крестообразной связки и других подобных травм, и тем самым инициировать ранний остеоартрит.
Как правило, это дегенеративное заболевание диагностируется только после появления прогрессирующих симптомов, но потенциально его можно выявить намного раньше с помощью мониторинга оксида азота. Этому весьма способствует новая разработка исследователей под руководством Хуанью «Ларри» Ченга, доцента по инженерным наукам и механике в Penn State.
Ченг и его ученик Шанбин Лю, который в этом году получил степень магистра, сотрудничали с исследователями из Китая, чтобы разработать гибкий биосенсор, способный непрерывно и без проводов обнаруживать оксид азота.
«Оценка в режиме реального времени биомаркеров, связанных с воспалением, таких как оксид азота в полости сустава, может указывать на патологическую эволюцию при начальном развитии остеоартрита, предоставляя важную информацию для оптимизации лечения после травматического повреждения колена», - отметил Ченг.
Проблема, по словам Ченга, заключается в том, что для обнаружения оксида азота требуются высокочувствительные и стабильные электрохимические датчики, которые также должны быть гибкими и биосовместимыми, чтобы можно было точно выявить область происхождения оксида азота. Соавтор исследования Лань Инь, доцент Школы материаловедения и инженерии Университета Цинхуа в Китае, ранее руководила разработкой подобного гибкого электрохимического датчика, чувствительного к оксиду азота, но он применял в конструкции электроды, которые ограничивали его возможности.
«Ограниченная площадь поверхности затрудняла одновременное достижение как высокой чувствительности и высокого пространственного разрешения», - пояснила Инь, имея в виду, что устройство может обнаруживать оксид азота, но не может точно определить его источник. Также требовалась регулярная повторная калибровка для обеспечения желаемой точности.
Исследователи обратились к потенциальному решению в виде гибких и биосовместимых органических электрохимических транзисторов (OECT), которые могут использовать напряжение и ток для идентификации и усиления сигналов. Даже небольшие концентрации ионов поддаются обнаружению и усилению, когда они окисляются на электроде затвора и направляют ионы электролита в канал устройства. Однако следовало учесть, что канал сделан из полимера, известного как PEDOT:PSS, который часто работает при другом напряжении затвора, чем оксид азота.
Ученым удалось настроить геометрию канала и материалы затвора, оптимизировав сенсорные возможности устройства. Безэталонный датчик с миниатюрной активной сенсорной областью обеспечивает обнаружение оксида азота с улучшенным пространственным разрешением по сравнению с прежними вариантами электрохимических датчиков оксида азота, что позволяет отображать электрохимические сигналы для предоставления исчерпывающей диагностической информации.
Исследователи интегрировали датчики с настроенным схемным модулем, в результате чего получилось устройство, которое непрерывно и по беспроводной сети отслеживает уровни оксида азота, которые передаются через Bluetooth в приложение для мобильного телефона.
Чтобы проверить конструкцию экспериментально, исследователи имплантировали устройства кроликам. В течение восьми дней исследователи обнаружили, что устройства успешно определяют концентрацию оксида азота.
«Результаты показывают, что ранние признаки высоких концентраций оксида азота могут быть связаны с воспалением и дегенерацией хряща на более поздних стадиях, что потенциально может дать важную информацию для оценки прогрессирования остеоартрита после травмы передней крестообразной связки и оптимизации посттравматического лечения», - сказал Ченг.
По его словам, в дальнейшем исследователи планируют продолжить изучение связи между оксида азота и остеоартритом, а также усовершенствовать технологию датчиков.
«В целом, уже сейчас предлагаемые варианты материалов и конструкция устройства могут дать важную инженерную основу для расшифровки состояний здоровья на ранней стадии и максимизации терапевтических результатов связанной с ними дегенерации и расстройств», - отметила Инь.