I ricercatori hanno sviluppato un sensore flessibile e impiantabile in grado di monitorare continuamente l'ossido nitrico nel ginocchio di un coniglio. Il gas può indicare l'insorgenza di osteoartrite indotta da danno. Credito:Shangbin Liu/Penn State/Tsinghua University
Se il fumo indica un incendio, l'ossido nitrico segnala un'infiammazione. Il mediatore chimico promuove l'infiammazione, ma i ricercatori sospettano che possa svolgere il suo lavoro troppo bene dopo la rottura del legamento crociato anteriore (ACL) e le lesioni correlate e iniziare l'artrosi a esordio precoce. In genere, la malattia degenerativa viene diagnosticata solo dopo sintomi progressivi, ma potenzialmente potrebbe essere identificata molto prima attraverso il monitoraggio dell'ossido nitrico, secondo Huanyu "Larry" Cheng, James E. Henderson Jr. Memorial Associate Professor of Engineering Science and Mechanics presso Penn State .
Cheng e il suo studente, Shangbin Liu, che quest'anno ha conseguito un master in ingegneria e meccanica presso la Penn State, hanno collaborato con ricercatori con sede in Cina per sviluppare un biosensore flessibile in grado di rilevare l'ossido nitrico continuo e senza fili nei conigli. Hanno pubblicato il loro approccio negli Proceedings of the National Academy of Sciences .
"La valutazione in tempo reale dei biomarcatori associati all'infiammazione, come l'ossido nitrico nella cavità articolare, potrebbe indicare un'evoluzione patologica allo sviluppo iniziale dell'osteoartrite, fornendo informazioni essenziali per ottimizzare le terapie a seguito di lesioni traumatiche al ginocchio", ha affermato Cheng.
La sfida, secondo Cheng, è che il rilevamento dell'ossido nitrico richiede sensori elettrochimici altamente sensibili e stabili che siano anche flessibili e biocompatibili in modo che le origini geografiche dell'ossido nitrico possano essere mappate con precisione. L'autore corrispondente Lan Yin, professore associato presso la School of Materials Science and Engineering presso la Tsinghua University in Cina, in precedenza aveva guidato lo sviluppo di un sensore elettrochimico flessibile e sensibile all'ossido nitrico, ma si basava su una configurazione dell'elettrodo che ne limitava le capacità.
"L'area di superficie limitata ha reso difficile raggiungere simultaneamente sia l'elevata sensibilità che l'elevata risoluzione spaziale", ha affermato Yin, il che significa che il dispositivo potrebbe essere in grado di rilevare l'ossido nitrico, ma potrebbe non essere in grado di individuare esattamente dove ha avuto origine, quindi non era chiaro se il segnale era correlato al sito della lesione o al tessuto circostante. "Era anche necessaria una ricalibrazione su base regolare per garantire l'accuratezza desiderabile".
I ricercatori hanno ottimizzato la geometria del canale nel meccanismo di rilevamento per ottimizzare il modo in cui il gas entra nel canale di rilevamento prima del rilevamento. L'immagine del riquadro evidenzia lo scarico (D), la lunghezza (L), la sorgente (S) e la larghezza (W) del canale. Credito:Shangbin Liu/Penn State/Tsinghua University
I ricercatori si sono rivolti alla potenziale soluzione di transistor elettrochimici organici (OECT) flessibili e biocompatibili, che possono utilizzare la tensione e le correnti per identificare e amplificare i segnali. Anche piccole concentrazioni di ioni sono rilevabili e amplificabili una volta che si ossidano sull'elettrodo di gate e guidano gli ioni dell'elettrolita nel canale del dispositivo; tuttavia, il canale è costituito da un polimero, noto come PEDOT:PSS, che spesso opera a una tensione di gate diversa rispetto all'ossido nitrico.
"Abbiamo ottimizzato la geometria del canale e i materiali del gate per allineare il modo in cui i segnali elettrochimici dell'ossido nitrico entrano nel canale e il modo in cui il dispositivo li rileva, ottimizzando le capacità di rilevamento", ha affermato Cheng. "Il sensore senza riferimento con una regione di rilevamento attiva miniaturizzata consente il rilevamento dell'ossido nitrico con una risoluzione spaziale migliorata rispetto ai sensori di ossido nitrico elettrochimico precedentemente riportati, che potrebbero consentire la mappatura dei segnali elettrochimici per offrire informazioni diagnostiche complete".
I ricercatori hanno integrato i sensori con un modulo di circuito personalizzato, ottenendo un dispositivo che monitora continuamente e in modalità wireless i livelli di ossido nitrico, che vengono trasmessi tramite Bluetooth a un'app per telefoni cellulari. Per testare il progetto, i ricercatori hanno impiantato i dispositivi nei conigli. In otto giorni, i ricercatori hanno scoperto che i dispositivi hanno rilevato con successo le concentrazioni di ossido nitrico.
"I risultati indicano che i primi segni di elevate concentrazioni di ossido nitrico potrebbero essere correlati con l'infiammazione e la degenerazione della cartilagine nella fase successiva, il che potrebbe potenzialmente offrire informazioni essenziali per valutare la progressione verso l'artrosi dopo la lesione del LCA e ottimizzare i trattamenti post-traumatici", ha detto Cheng.
I ricercatori hanno in programma di continuare a studiare la connessione tra le concentrazioni di ossido nitrico e l'artrosi e di perfezionare la tecnologia di rilevamento, secondo Cheng.
"Nel complesso, le opzioni di materiali proposte e la progettazione del dispositivo potrebbero offrire basi ingegneristiche critiche per la decodifica delle condizioni di salute in una fase iniziale e per massimizzare i risultati terapeutici della degenerazione e dei disturbi associati", ha affermato Yin. + Esplora ulteriormente
