Научные специалисты из Университета штата Пенсильвания (Penn State) в США совместно с коллегами из КНР разработали гибкий беспроводной биосенсор, способный выявлять ранний остеоартрит. 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.