I ricercatori dell'Istituto Fraunhofer per l'affidabilità e la microintegrazione IZM hanno unito le forze con i partner dell'industria e della sanità per sviluppare una pratica piattaforma di sensori a base di ossido di grafene per rilevare infezioni acute come la sepsi o gli anticorpi contro il coronavirus in pochi minuti.

L'attuale situazione con la pandemia di COVID-19 sottolinea l'importanza di rilevare le infezioni in modo rapido e accurato per prevenire un'ulteriore diffusione. Oggi, i sintomi forniscono gli indizi che aiutano a diagnosticare le infezioni virali o batteriche. Però, molte infezioni hanno sintomi simili, quindi questi segni possono essere facilmente interpretati erroneamente e la malattia diagnosticata erroneamente. Gli esami del sangue danno certezza, ma i laboratori li eseguono solo su prescrizione del medico di famiglia. Quando i risultati arrivano dal laboratorio, i medici hanno spesso prescritto un antibiotico che potrebbe non essere necessario.

Solo una goccia di sangue per una diagnosi

I ricercatori del Fraunhofer IZM di Berlino hanno lavorato al progetto Graph-POC dall'aprile 2018 su una piattaforma di sensori a base di ossido di grafene per affrontare proprio queste sfide nella diagnosi delle infezioni. Una singola goccia di sangue o saliva è tutto ciò che serve per eseguire un'analisi accurata. Pochi minuti dopo l'applicazione della goccia sulla superficie del sensore, segnali elettrici trasmettono l'esito del test allo studio del medico di famiglia. Questo test rapido fornisce la certezza in soli 15 minuti per sostituire il lavoro di sangue prolungato in laboratorio. Elimina l'errore e le congetture dalla diagnosi in modo che il medico possa prescrivere il trattamento appropriato o gli antibiotici adatti.

Il test può anche essere impostato per rilevare gli anticorpi presenti dopo che un paziente si è ripreso da un'infezione. I ricercatori del Fraunhofer IZM si stanno ora concentrando su questa applicazione per rilevare le infezioni precoci con il virus COVID-19, che può aiutare con gli sforzi per tracciare come si è diffusa l'infezione. Il corpo umano forma molecole o proteine ​​chiamate biomarcatori in risposta a un'infezione. Cattura le molecole posizionate sulla superficie del sensore a base di grafene per rilevare questi biomarcatori. Le misurazioni differenziali della concentrazione dei biomarcatori determinano se è presente un'infezione.

Struttura 3D per ingrandire la superficie di misurazione

La caratteristica più notevole di questa piattaforma di sensori è il suo materiale di base:elettricamente conduttivo e biocompatibile, l'ossido di grafene è anche un mezzo di rilevamento molto affidabile. Ad oggi, è stato utilizzato solo nella microelettronica nella sua forma originale, un monostrato 2-D. I ricercatori del Fraunhofer IZM lo stanno ora applicando in una struttura 3D sotto forma di scaglie. Questa forma 3D aumenta la superficie di misurazione e l'accuratezza delle misurazioni.

Manuel Bauscher, scienziato presso Fraunhofer IZM e responsabile di sottoprogetto presso Graph-POC, vede grandi prospettive per questi sensori di ossido di grafene:"Possiamo fare un salto dall'attuale campo medico per svilupparci anche nella direzione del punto di bisogno; cioè, verso la tecnologia ambientale e la rilevazione degli impatti ambientali. Ma ovviamente l'applicazione della corona è la nostra prima priorità." L'array 3-D dei fiocchi di ossido di grafene e la maggiore sensibilità aprono anche la porta a ulteriori applicazioni. Ad esempio, potrebbe rilevare gas nocivi come monossido di carbonio o acetone anche a temperatura ambiente. Così com'è, questi gas devono prima essere riscaldati per innescare una reazione superficiale che i sensori odierni possono rilevare. Il sensore di ossido di grafene reagisce a temperature più basse quando gli ossidi metallici si legano alla sua superficie sensibile.

I ricercatori del Fraunhofer IZM stanno affrontando un'altra sfida per scalare il processo di produzione per la produzione di massa:stanno cercando di applicare il rivestimento di ossido di grafene a livello di wafer in modo da poter elaborare centinaia di chip contemporaneamente.

Anticorpi rilevabili dopo infezioni da coronavirus in circa un anno

I sensori a base di ossido di grafene devono essere integrati in un supporto di plastica e l'affidabilità del sistema deve essere testata prima che i test rapidi possano essere implementati. Sebbene il progetto originale per rilevare le infezioni dovrebbe durare fino alla primavera del 2021, i ricercatori non si aspettano di poter verificare il sensore per il coronavirus ancora per un altro anno. I partner di questo progetto sono la Charité, Aptarion Biotech AG, Technische Universität di Berlino, MicroDiscovery GmbH e alpha-board GmbH. È finanziato dal Ministero federale tedesco dell'istruzione e della ricerca (BMBF).