Il Professore Associato Kazuhiro Takahashi e il Professore Assistente Yong-Joon Choi del Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica dell'Informazione presso la Toyohashi University of Technology hanno sviluppato un chip in grado di rilevare gli antigeni a una parte per quadrilione di massa molare. Il chip è stato creato utilizzando la tecnologia di microlavorazione dei semiconduttori. Gli antigeni derivati ​​da malattie e presenti nel sangue e nella saliva sono stati fatti aderire alla superficie di un nanofoglio flessibile e deformabile. La quantità di forza generata durante l'interazione tra gli antigeni aderiti è stata quindi convertita in informazioni sulla deformazione del nanofoglio al fine di rilevare con successo antigeni specifici. Creato con la tecnologia dei semiconduttori lavorati su scala millimetrica, questo chip sensore dovrebbe contribuire alla telemedicina funzionando come un biosensore IoT che consente di eseguire test antigenici e anticorpali da casa.

Il dispositivo di misurazione rileva in modo semplice e rapido le malattie utilizzando una minuscola quantità di sangue, urina, saliva, o altro fluido corporeo, e sarà uno strumento vitale per diagnosticare con precisione le malattie, verifica dei risultati del trattamento, e il controllo di recidive e metastasi. Sono in corso ricerche su un biosensore in grado di misurare i risultati del trattamento e le reazioni patologiche rilevando il DNA, RNA e proteine ​​contenute in tale fluido. Questa tecnologia ha recentemente suscitato interesse in tutto il mondo, con rilevamento di antigeni e anticorpi ampiamente utilizzato per rilevare e determinare la presenza di nuove infezioni da coronavirus. Per di più, tra i pazienti COVID-19, i rapporti suggeriscono che i pazienti con sintomi gravi mostrano differenze nelle concentrazioni multiple di proteine ​​contenute nel sangue rispetto a quelli con sintomi lievi. Esaminando tali marcatori, questa tecnologia dovrebbe essere utilizzata per prevedere la gravità della malattia.

Gli attuali dispositivi di rilevamento non sono digitalizzati, e richiedono la conferma visiva dei cambiamenti di colore utilizzando un agente di etichettatura. La lettura dell'ampia gamma di marcatori richiede tempo, e ha reso difficile l'implementazione per i dispositivi IoT. Il team di ricerca sta sviluppando un micro chip sensore che controlla le malattie utilizzando un nanofoglio flessibile e deformabile realizzato utilizzando la tecnologia di microlavorazione a semiconduttore. Primo, un anticorpo che cattura gli antigeni mirati è fissato sul nanofoglio, e si misurano le deformazioni di un film sottile causate da repulsioni elettriche tra gli antigeni aderiti. Per migliorare la sensibilità al punto in cui la membrana a cui aderiscono gli antigeni diventa sottile e morbida, vengono utilizzati nanofogli organici due volte più morbidi del silicio semiconduttore. Si prevede che ciò migliorerà la sensibilità del sensore fino a una grandezza doppia rispetto a quella dei sensori convenzionali a base di silicio. Inoltre, continua lo sviluppo della tecnologia di rilevamento del segnale che utilizza una fotocamera per smartphone per rilevare la deformazione del nanofoglio.

Con questo sensore, che è progettato per cambiamenti sensibili nell'adesione delle biomolecole, l'anticorpo deve essere fissato in anticipo al nanosheet per catturare l'antigene, e problemi legati alla degradazione del film possono rendere difficile questo processo. Il team di ricerca ha ottimizzato la densità affinché gli anticorpi aderiscano a una nano membrana con spessore regolabile, creando un biosensore che rileva solo antigeni con una sensibilità specificamente elevata. Inoltre, poiché è possibile rilevare in tempo reale la deformazione del nano foglio causata dalle molecole aderite, la tecnologia dovrebbe consentire il rilevamento rapido delle molecole derivate dalla malattia. Il biosensore sviluppato in questo progetto è stato utilizzato in un esperimento per rilevare l'albumina, una proteina contenuta nel sangue. L'esperimento ha rilevato con successo un femtogramma (15 attomoli in concentrazione molare) di antigene contenuto in un millilitro. Con il limite di rilevamento minimo quasi equivalente a quello dei dispositivi di rilevamento su larga scala che utilizzano agenti di etichettatura, questo dispositivo dovrebbe consentire il rilevamento ultrasensibile su una scala portatile.

Andando avanti, il team di ricerca prevede di condurre prove utilizzando sensori a semiconduttore per rilevare i marcatori per i sintomi gravi dell'infezione da COVID-19. Oltre alla rilevazione del sangue, sono in fase di sviluppo sensori chimici per rilevare odori e sostanze chimiche. Crediamo di poter contribuire a una società basata sull'IoT creando nuovi, sensori su piccola scala una realtà. Sostituendo la molecola della sonda sulla superficie del nostro nanofoglio, la tecnologia può essere utilizzata per rilevare virus e allo stesso tempo rilevare una varietà di biomarcatori. Rendendo questi biosensori comuni nella società, miriamo a contribuire alla telemedicina, consentendo di eseguire le diagnosi mediche da casa.