Attualmente, stiamo cercando di frenare la diffusione del COVID-19. Mentre le restrizioni su larga scala possono ostacolare il virus, test diagnostici accurati e rapidi possono aiutare i servizi sanitari a monitorare e contenere meglio il virus. Per questo, sono necessari dispositivi di prova adeguati, come quelli basati su tecnologie lab-on-chip in cui i campioni di test vengono mescolati con molecole di rilevamento che si legano al virus e quindi emettono un segnale come la luce. Per il suo dottorato ricerca, Sophia E. Shanko ha esplorato come questo processo di legame può essere accelerato utilizzando la miscelazione di particelle magnetiche, che possono avere implicazioni significative per i futuri dispositivi di test diagnostici. Shanko difende la sua tesi il 10 maggio presso il dipartimento di Ingegneria Meccanica.

Il COVID-19 non conosce confini o confini e si è diffuso a macchia d'olio attraverso paesi e continenti. Mentre le restrizioni sociali, come blocchi, può limitarne la diffusione, rimane la necessità di test diagnostici rapidi al punto di cura.

"Il test rapido consente di identificare rapidamente i casi, e la fornitura di cure rapide e adeguate per le persone infette, "dice Sofia Shanko, dottorato di ricerca ricercatore nel gruppo di ricerca Microsystems sotto la supervisione di Jaap den Toonder. "Tali test non solo aiuterebbero a fornire alle persone cure tempestive, ma informeranno anche i decisori che possono quindi imporre misure di contenimento locali. E tali test non sono solo per COVID-19, potrebbero essere usati per testare altre infezioni virali in futuro".

Dispositivi Lab-on-chip

Molti dispositivi di test nuovi e innovativi si basano su tecnologie lab-on-chip. Questi dispositivi hanno numerosi vantaggi come una vasta gamma di applicabilità, taglia piccola, e capacità di analisi veloce. In questi dispositivi, un campione (come il sangue), che deve essere testato per una molecola bersaglio (come un anticorpo che segnala la presenza di un virus), viene miscelato con un fluido contenente molecole di rilevamento che possono legarsi alla molecola bersaglio. Se il bersaglio è presente, il legame con la molecola di rilevamento genera un segnale come la luce.

"Il processo di associazione in questi dispositivi deve essere veloce e preciso, e ciò può essere ottenuto assicurandosi che le molecole di rilevamento siano accuratamente miscelate con il campione di prova il prima possibile, "dice Shanko, che ha vinto anche FameLab TU/e ​​2020 dove ha parlato del suo dottorato di ricerca. ricerca. "Le dimensioni molto ridotte delle tecnologie lab-on-chip consentono la miscelazione solo per diffusione molecolare, il movimento intrinseco delle molecole all'interno di un fluido a causa delle differenze di temperatura e concentrazione. Però, questo è un processo che richiede tempo."

SCIAME

Gli effetti negativi della diffusione molecolare lenta possono essere parzialmente annullati utilizzando metodi passivi o attivi. Per il primo, le strutture geometriche sono incluse nel dispositivo di prova, mentre in quest'ultimo, forze esterne, come forze magnetiche, può essere utilizzato per modificare il flusso in modo controllato. Questi ultimi sono stati studiati per produrre capacità di miscelazione elevate e controllate ad un costo relativamente contenuto.

Nella sua ricerca, Shanko si è rivolto alle forze magnetiche per accelerare la diffusione molecolare, e, a sua volta, accelerare il processo di rilevamento aumentando le possibilità di eventi di legame della molecola di rilevamento del bersaglio. "La miscelazione di particelle magnetiche (o microsfere) con i campioni di prova e le molecole di rilevamento presenta numerosi vantaggi. Possiamo controllare il movimento di queste particelle utilizzando campi magnetici esterni, e, soprattutto, queste particelle non ostacolano le prestazioni di rilevamento".

La forza e la frequenza del campo magnetico esterno gioca un ruolo chiave nel dettare come le microsfere si muovono nel fluido, che a sua volta influenza la miscelazione. "C'è un "punto debole" per i parametri che controllano il campo magnetico in cui le microsfere si muovono secondo schemi come quelli visti nello sciame degli uccelli. La miscelazione delle perline con il campione di prova porta quindi a un legame più rapido tra i bersagli e le molecole di rilevamento, e un risultato del test più veloce."

Su funghi e microlembi

La sciamatura di microsfere è un esempio di miscelazione dinamica, ma Shanko ha anche cercato delle alternative per generare il missaggio dinamico, dove le sfere magnetiche sono controllate da strutture magnetiche esterne statiche a forma di fungo per aiutare a indurre questa miscelazione. È scientificamente molto interessante vedere come si comportano le sfere magnetiche e osservare la cinetica dei fluidi che esse, a sua volta, causa. "Sebbene le strutture a forma di fungo possano generare velocità del fluido molto elevate che potrebbero indurre una miscelazione efficiente, hanno finito per influenzare negativamente l'intero processo di miscelazione."

Finalmente, Shanko ha osservato l'inclusione di lembi magnetici attaccati alla base dei dispositivi lab-on-chip che sono stati controllati utilizzando il campo magnetico esterno. "I microflap migliorano la miscelazione delle molecole di rilevamento nel campione, ma sono necessari ulteriori esperimenti per comprendere meglio il loro effetto".

Pensare alle applicazioni e al futuro

Con il COVID-19 che attanaglia ancora saldamente il mondo, test diagnostici accurati per il virus saranno necessari per qualche tempo. "La pandemia ci ha mostrato che c'è bisogno di test diagnostici rapidi ed efficaci. La mia ricerca mostra che il rilevamento di molecole di anticorpi nei dispositivi lab-on-chip potrebbe essere accelerato attraverso l'uso di microsfere magnetiche e campi magnetici esterni. Questa tecnologia è necessari per il futuro per aiutarci a monitorare meglio la presenza e la diffusione di epidemie in futuro".

Per questo vincitore di FameLab TU/e, il passo successivo è lo sviluppo della sua start-up diagnostica. Shanko:"Sono molto contento del risultato della mia ricerca di dottorato che viene tradotto in diversi articoli scientifici. È fantastico vedere che la micro-miscelazione di sfere magnetiche ha il potenziale per una diagnostica rapida e di alta precisione. Anche se il mio dottorato di ricerca. D. sta per finire, il mio amore per la diagnostica è solo all'inizio."