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New Nanoelektronik Technologie könnte ersetzen herkömmliche Mikrotiterplatten

Published on September 21, 2010 at 2:17 AM

Die Multi-welled Mikroplatten, lange Zeit ein Standard-Werkzeug in der biomedizinischen Forschung und diagnostische Laboratorien, könnte ein Ding der Vergangenheit dank der neuen elektronischen Biosensoren Technik durch ein Team von Mikroelektronik-Ingenieure und biomedizinische Wissenschaftler am Georgia Institute of Technology entwickelt werden.

Im Wesentlichen Arrays von winzigen Röhrchen, Mikrotiterplatten haben seit Jahrzehnten verwendet, um gleichzeitig mehrfach Proben für ihre Reaktionen auf Chemikalien, lebende Organismen oder Antikörper. Fluoreszenz-oder Farbänderungen in Etiketten mit Verbindungen auf den Platten verbunden sind, können Signal die Anwesenheit von bestimmten Proteinen oder Gensequenzen.

Die neuen elektronischen Mikrotiterplatte ist vor der Technologie zielt darauf ab, zu ersetzen, die konventionelle Mikrotiterplatte gezeigt.

Die Forscher hoffen, diese Mikrotiterplatten mit modernen Mikroelektronik-Technologie, einschließlich Einweg-Arrays mit Tausenden von elektronischen Sensoren, die an leistungsfähige Signalverarbeitung ersetzen. Wenn sie erfolgreich sind, könnte diese neue elektronische Biosensorik Plattform helfen den Traum der personalisierten Medizin, indem sie möglichst in Echtzeit Diagnose von Krankheiten - potenziell in der Arztpraxis - und dazu beiträgt, wählen Sie individualisierte therapeutische Ansätze.

"Diese Technologie könnte helfen, erleichtern eine neue Ära der personalisierten Medizin", sagte John McDonald, Chief Research Scientist an der Eierstockkrebs Institute in Atlanta und Professor an der Georgia Tech School of Biology. "Ein Gerät wie dieses könnte sich schnell in Individuen der Gen-Mutationen auf, die von Krebs sind und dann bestimmen, was wäre die optimale Behandlung zu erfassen. Es gibt eine Menge von potentiellen Anwendungen für diese, die nicht mit aktuellen Analyse-und Diagnose-Technologie getan werden kann."

Grundlegend für die neue Biosensorik System ist die Möglichkeit, elektronisch erfassen Marker, die zwischen gesunden und kranken Zellen zu differenzieren. Diese Marker könnten Unterschiede in Proteine, Mutationen in der DNA oder auch bestimmte Ebenen der Ionen, die in unterschiedlichen Mengen in Krebszellen vorhanden sind. Forscher finden immer mehr Unterschiede wie diese, die ausgenutzt werden, um schnelle und kostengünstige elektronische Nachweisverfahren, die nicht auf herkömmliche Etiketten nicht verlassen schaffen könnte.

"Wir haben mehrere neue Stücke von Nanoelektronik-Technologie gesetzt, um eine Methode für die Dinge in eine ganz andere Weise als das, was wir getan haben, schaffen", sagte Muhannad Bakir, außerordentlicher Professor in Georgia Tech School of Electrical and Computer Engineering. "Was wir schaffen ein neues Allzweck-sensing-Plattform, nutzt die beste der Nanoelektronik und dreidimensionale elektronische Systemintegration zu modernisieren und neue Anwendungen hinzufügen, um die alte Mikroplatten-Anwendung. Dies ist eine Hochzeit von Elektronik-und Molekularbiologie. "

Die dreidimensionale Sensor-Arrays werden unter Verwendung konventioneller Low-Cost-, Top-down-Mikroelektronik. Obwohl bestehende Probenvorbereitung und Ladesysteme können geändert werden, sollte die neue Biosensor-Arrays mit den bestehenden Arbeitsabläufe in Forschung und Diagnostik-Labors.

"Wir machen diese Geräte einfach zu unter Ausnutzung aller Fortschritte in der Mikroelektronik hergestellt, während zur gleichen Zeit nicht wesentlich verändert Usability für den Kliniker oder Forscher Herstellung wollen", sagte Ramasamy Ravindran, ein Absolvent wissenschaftliche Mitarbeiterin in Georgia Tech Nanotechnology Research Center und der School of Electrical and Computer Engineering.

Ein wesentlicher Vorteil der Plattform ist, dass sensing getan wird mit Low-Cost-, Einweg-Komponenten, während die Informationsverarbeitung durch wiederverwendbare herkömmlichen integrierten Schaltungen vorübergehend auf das Array angeschlossen Wille geschehe. Ultra-High-Density frühlingshaften mechanisch kompatible Anschlüsse und Fortgeschrittene "Through-Silicon Vias" machen die elektrischen Anschlüsse und ermöglicht Technikern, das Biosensor-Arrays ohne die zugrunde liegende Schaltung zu ersetzen.

Die Trennung der Erfassung und Verarbeitung von Teilen ermöglicht Fertigung für jede Art von Gerät optimiert werden, Notizen Hyung Suk Yang, Absolvent wissenschaftliche Mitarbeiterin arbeitet auch in der Nanotechnology Research Center. Ohne die Trennung werden die Arten von Materialien und Prozessen, die verwendet werden, um die Sensoren herstellen kann stark eingeschränkt.

Die Empfindlichkeit des winzigen elektronischen Sensoren können in vielen Fällen höher als die aktuellen Systeme, beitragen können, dass Krankheiten früher erkannt werden. Da die Probe Brunnen wird wesentlich kleiner als die der aktuellen Mikroplatten - ermöglicht einen kleineren Formfaktor - sie konnten erlauben weitere Tests mit einem bestimmten Probenvolumen durchgeführt werden.

Die Technologie könnte auch erleichtern die Verwendung von Ligand-basierten Erkennung, die bestimmte genetische Sequenzen in der DNA oder Boten-RNA erkennt. "Dies würde sehr schnell geben uns einen Hinweis auf die Proteine, die durch die Patienten, die uns Wissen über die Krankheit Staat am Point-of-care ausgedrückt werden", erklärt Ken Scarberry, Postdoc in McDonald-Labor.

Bisher haben die Forscher eine Biosensorik mit Silizium-Nanodraht-Sensoren in einem 16-Well-Gerät auf einem Ein-Zentimeter von einem Zentimeter Chip integriert demonstriert. Die Nanodrähte, nur 50 von 70 Nanometern, zwischen Eierstock-Krebszellen und gesunden Eierstock-Epithelzellen in einer Vielzahl von Zelldichten differenziert.

Silizium-Nanodraht-Sensor-Technologie kann verwendet werden, um gleichzeitig zu erkennen eine große Anzahl von verschiedenen Zellen und Biomaterialien ohne Etiketten werden. Darüber hinaus vielseitige Technologie, könnte der Biosensorik Plattform Platz für eine breite Palette von anderen Sensoren - einschließlich Technologien, die nicht existieren kann noch. Letztlich könnte Hunderttausende von verschiedenen Sensoren auf jedem Chip enthalten sein, genug, um schnell zu erkennen Marker für ein breites Spektrum von Krankheiten.

"Unsere Plattform Idee ist wirklich Sensor Agnostiker", sagte Ravindran. "Es könnte mit einer Menge von verschiedenen Sensoren, die Menschen entwickeln werden. Es würde uns die Möglichkeit zusammen zu bringen viele verschiedene Arten von Sensoren in einem einzigen Chip."

Genetische Mutationen können zu einer Vielzahl von verschiedenen Erkrankungen, die das Ansprechen eines Patienten auf Krankheit oder Medikamente beeinflussen können, führen, aber die aktuellen gekennzeichnet sensing Methoden sind in ihrer Fähigkeit, eine große Anzahl von verschiedenen Markern gleichzeitig zu erkennen begrenzt.

Mapping Single Nucleotide Polymorphismen (SNPs), Variationen, die für etwa 90 Prozent der genetischen Variationen beim Menschen, verwendet werden, um einem Patienten die Neigung für eine Krankheit oder deren Wahrscheinlichkeit profitieren von einer bestimmten Intervention herangezogen werden konnten. Die neue Technologie könnte Biosensorik ermöglichen Bezugspersonen zu produzieren und zu analysieren SNP-Karten am Point-of-care.

Obwohl viele technische Herausforderungen bleiben, hat die Fähigkeit, Bildschirm für Tausende von Krankheitsmarker in Echtzeit biomedizinische Wissenschaftler wie McDonald aufgeregt.

"Mit genügend Sensoren drin, man könnte theoretisch unter Beweis stellen alle möglichen Kombinationen auf dem Array", sagte er. "Dies wurde nicht für möglich gehalten, bis jetzt, weil was einem Array groß genug, um sie alle mit der aktuellen Technologie zu erkennen ist wohl nicht machbar. Aber mit der Mikroelektronik-Technologie können Sie ganz einfach alle möglichen Kombinationen, und das ändert die Dinge."

Quelle: http://www.gatech.edu/

Last Update: 4. October 2011 18:09

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