Sfruttando la produzione additiva e la nanotecnologia, i ricercatori della Carnegie Mellon University sviluppano un sensore per rilevare i livelli del neurotrasmettitore dopamina fino alle concentrazioni femtomolari. Credito:Advanced Manufacturing and Materials Laboratory, Carnegie Mellon University
Un gruppo di ricercatori di ingegneria meccanica della Carnegie Mellon University ha spinto i limiti dei test diagnostici a un livello mai visto prima.
I ricercatori, guidati da Rahul Panat, professore associato di ingegneria meccanica, hanno sviluppato un sistema di sensori in grado di rilevare con successo i livelli del neurotrasmettitore dopamina fino alle concentrazioni femtomolari. Hanno pubblicato le loro scoperte in Nature Communications .
Per metterlo in prospettiva, immagina di versare meno di un grammo di dopamina nel Crater Lake dell'Oregon, il lago più profondo degli Stati Uniti. Questo sensore potrebbe rilevarlo.
"Abbiamo infranto una barriera fondamentale al limite di rilevamento per le biomolecole", ha spiegato Azahar Ali, l'autore principale del documento. In altre parole, questa è la più piccola concentrazione di dopamina mai rilevata in modo affidabile.
Questa incredibile svolta è stata ottenuta sfruttando la potenza della produzione additiva e della nanotecnologia per creare un sistema di rilevamento incredibilmente sensibile, costituito da un elettrodo tridimensionale posizionato in un canale microfluidico, dove i campioni vengono pompati.
I primi elettrodi consistevano in una superficie di rilevamento bidimensionale, che non era in grado di rilevare concentrazioni sempre più piccole di molecole bersaglio poiché la maggior parte di esse galleggerebbe senza interagire. Per spingere quel limite, l'area di rilevamento dell'elettrodo dovrebbe spostarsi nella terza dimensione per aiutare a "catturare" le molecole mentre si muovono attraverso di essa.
Per raggiungere questo obiettivo, il team ha utilizzato una tecnica nota come stampa di nanoparticelle 3D a getto di aerosol, consentendo loro di costruire minuscoli micropilastri utilizzando nanoparticelle d'argento. Ogni goccia è stata aggiunta sopra la precedente e sinterizzata insieme fino a formare un pilastro cavo. Quindi, sono stati ricoperti da piccole scaglie di ossido di grafene, che hanno ulteriormente aumentato la superficie del pilastro e hanno aiutato a rilevare la dopamina.
Ma perché la dopamina? È un'importante molecola di segnalazione nel cervello e nel corpo, comunemente associata al controllo dell'umore. Tuttavia, svolge anche un ruolo in molteplici malattie neurodegenerative, tra cui la schizofrenia, l'Alzheimer e la dipendenza. Può essere trovato nel sangue, ma a livelli molto bassi.
L'elevata sensibilità di questo dispositivo potrebbe consentire a un medico di prelevare una piccola goccia di sangue e testare la presenza di dopamina, creando un metodo diagnostico minimamente invasivo. Ciò potrebbe consentire test più rapidi e più facili per queste afflizioni, che potrebbero potenzialmente salvare vite umane. Panat crede che progressi come questo siano in ritardo.
"Credo che l'industria dei dispositivi biomedici sia rimasta indietro nel mettersi al passo con i progressi della miniaturizzazione e dei progressi nella microelettronica. E noi nel mondo accademico possiamo contribuire a cambiarlo", afferma.
L'anno scorso, il suo team ha utilizzato un sistema micropillare simile per sviluppare un test rapido degli anticorpi Covid-19. La relativa semplicità del dispositivo, tuttavia, significa che può essere adattato per rilevare un'ampia varietà di molecole diverse, dagli anticorpi ai neurotrasmettitori a molte cose intermedie.
Le direzioni future per questo sistema sono quasi infinite. Diversi elettrodi potrebbero essere inseriti in un dispositivo per creare un sistema multiplex, in grado di rilevare diversi biomarcatori contemporaneamente. Oppure, potrebbe essere integrato in una nuova forma di tecnologia indossabile, in grado di rilevare i livelli di elettroliti.
Indipendentemente da dove vediamo implementata questa tecnologia, tuttavia, è stato possibile utilizzando strumenti e strategie ingegneristiche per affrontare un problema esistente da una disciplina diversa. Il risultato è una soluzione innovativa che aiuterà a definire il futuro della medicina. + Esplora ulteriormente
