New tecnologica per la nanoelettronica potrebbe sostituire micropiastre convenzionali

Published on September 21, 2010 at 2:17 AM

Il multi-riempirono micropiastre, lungo uno strumento standard nella ricerca biomedica e laboratori diagnostici, potrebbe diventare un ricordo del passato grazie alla nuova tecnologia di sensori biologici elettronico sviluppato da un team di ingegneri e scienziati biomedici microelettronica presso il Georgia Institute of Technology.

Essenzialmente array di provette piccoli, micropiastre sono stati utilizzati per decenni per testare contemporaneamente più campioni per le loro risposte a sostanze chimiche, organismi viventi o anticorpi. Cambia colore a fluorescenza o etichette associate con composti sui piatti può segnalare la presenza di particolari proteine ​​o sequenze di geni.

La micropiastra nuova elettronica è mostrato davanti alla tecnologia che mira a sostituire, la micropiastra convenzionale.

I ricercatori sperano di sostituire questi micropiastre con la moderna tecnologia microelettronica, compresi gli array monouso contenenti migliaia di sensori elettronici collegati a circuiti di potenza di elaborazione del segnale. Se hanno successo, questa nuova piattaforma biosensori elettronici potrebbe contribuire a realizzare il sogno della medicina personalizzata, rendendo possibile in tempo reale la diagnosi delle malattie - potenzialmente in uno studio medico - e aiutando selezionare approcci terapeutici individualizzati.

"Questa tecnologia potrebbe aiutare a facilitare una nuova era della medicina personalizzata", ha dichiarato John McDonald, ricercatore capo presso il Ovarian Cancer Institute di Atlanta e un professore del Georgia Tech School di Biologia. "Un dispositivo del genere potrebbe rapidamente individuare negli individui le mutazioni genetiche che sono indicativi di cancro e quindi determinare quale sarebbe il trattamento ottimale. Ci sono un sacco di potenziali applicazioni per questo che non può essere fatto con l'attuale tecnologia di analisi e di diagnostica."

Fondamentale per il nuovo sistema di sensori biologici è la capacità di rilevare elettronicamente marcatori che differenziano tra cellule sane e malate. Questi marcatori possono essere differenze di proteine, le mutazioni nel DNA o livelli ancora più specifico di ioni che esistono in diverse quantità nelle cellule cancerose. I ricercatori stanno trovando differenze sempre più come questi che potrebbero essere sfruttate per la creazione veloce ed economico tecniche di rilevazione elettronica che non si basano sulle etichette convenzionali.

"Abbiamo messo insieme alcuni pezzi romanzo della nanoelettronica tecnologia per creare un metodo per fare le cose in un modo molto diverso da quello che abbiamo fatto", ha detto Muhannad Bakir, professore associato in Georgia Tech School di Ingegneria Elettrica e Informatica. "Quello che stiamo creando è un nuovo general-purpose piattaforma di rilevamento che sfrutta il meglio della nanoelettronica e tridimensionale integrazione di sistemi elettronici per modernizzare e aggiungere nuove applicazioni per l'applicazione micropiastra vecchio. Si tratta di un matrimonio tra elettronica e biologia molecolare. "

Tridimensionale array di sensori sono fabbricati con i convenzionali a basso costo, dall'alto verso il basso la tecnologia microelettronica. Anche se la preparazione dei campioni e dei sistemi esistenti di carico può essere modificato, il nuovo array biosensore dovrebbe essere compatibile con i flussi di lavoro esistenti nella ricerca e laboratori diagnostici.

"Vogliamo fare questi semplici dispositivi per la produzione, sfruttando tutti i progressi fatti nel campo della microelettronica, pur non essendo allo stesso tempo, cambiando significativamente l'usabilità per il medico o ricercatore," ha detto Ramasamy Ravindran, un assistente di ricerca laureati nella ricerca sulle nanotecnologie Georgia Tech Centro e la Scuola di Ingegneria Elettrica e Informatica.

Uno dei principali vantaggi della piattaforma è che la rilevazione sarà effettuata utilizzando a basso costo, i componenti usa e getta, mentre l'elaborazione delle informazioni sarà fatto da riutilizzabili circuiti integrati convenzionali temporaneamente connesso alla matrice. Ad altissima densità primaverile connettori compatibili meccanicamente ed avanzati "through-silicon-vias" farà i collegamenti elettrici, consentendo ai tecnici di sostituire l'array biosensore senza danneggiare la circuiteria sottostante.

Separare il rilevamento e l'elaborazione porzioni permette fabbricazione di essere ottimizzato per ogni tipo di dispositivo, note Hyung Suk Yang, un assistente di ricerca laureato lavorando anche nel Centro ricerca sulle nanotecnologie. Senza la separazione, i tipi di materiali e processi che possono essere utilizzati per fabbricare i sensori sono molto limitate.

La sensibilità del minuscoli sensori elettronici possono spesso essere maggiore rispetto ai sistemi attuali, potenzialmente permettendo malattie per essere rilevato in precedenza. Perché i pozzi campione sarà notevolmente più piccoli di quelli di micropiastre corrente - che permette un form factor più piccole - che potrebbero permettere ulteriori test da fare con un volume di campione.

La tecnologia potrebbe inoltre facilitare l'uso di legante a base di rilevamento che riconosce specifiche sequenze genetiche nel DNA o RNA messaggero. "Questo sarebbe molto rapidamente ci danno una indicazione delle proteine ​​che vengono espresse da quel paziente, che ci dà la conoscenza dello stato di malattia presso il point-of-care", ha spiegato Ken Scarberry, un collega postdoctoral nel laboratorio di McDonald.

Finora, i ricercatori hanno dimostrato un sistema di sensori biologici con sensori al silicio nanowire in un 16-ben dispositivo costruito su un centimetro da un centimetro chip. I nanofili, a 50 da 70 nanometri, differenziato tra le cellule di cancro ovarico e le cellule epiteliali delle ovaie sane in una varietà di densità cellulare.

Tecnologia dei sensori al silicio nanowire può essere utilizzato per rilevare simultaneamente un gran numero di diverse cellule e biomateriali senza etichette. Al di là che la tecnologia versatile, la piattaforma di sensori biologici potrebbe ospitare una vasta gamma di altri sensori - comprese le tecnologie che potrebbero non esistere ancora. In definitiva, centinaia di migliaia di diversi sensori potrebbero essere inclusi in ciascun chip, abbastanza per rilevare rapidamente i marcatori per una vasta gamma di malattie.

"La nostra idea è agnostico piattaforma davvero sensore", ha detto Ravindran. "Potrebbe essere utilizzata con un sacco di diversi sensori che le persone si stanno sviluppando. E ci darebbe l'opportunità di mettere insieme un sacco di diversi tipi di sensori in un singolo chip."

Mutazioni genetiche può portare a un gran numero di stati patologici differenti che possono influenzare la risposta del paziente alla malattia o farmaci, ma gli attuali metodi di rilevamento etichettati sono limitati nella loro capacità di rilevare un gran numero di marcatori diversi contemporaneamente.

Mappatura dei polimorfismi a singolo nucleotide (SNP), variazioni che rappresentano circa il 90 per cento della variabilità genetica umana, potrebbero essere utilizzati per determinare la propensione del paziente per una malattia, o la loro probabilità di beneficiare di un intervento particolare. La nuova tecnologia di sensori biologici potrebbe consentire caregivers di produrre e analizzare le mappe SNP presso il punto di cura.

Anche se molte sfide tecniche rimangono, la possibilità di schermo per migliaia di marcatori di malattia in tempo reale ha gli scienziati biomedici come McDonald eccitato.

"Con i sensori abbastanza in là, si potrebbe teoricamente mettere tutte le combinazioni possibili sulla matrice", ha detto. "Questo non è stato considerato possibile fino ad ora perché fare una serie abbastanza grande per rilevare tutti con la tecnologia attuale non è probabilmente fattibile. Ma con la tecnologia microelettronica, si può facilmente comprendere tutte le combinazioni possibili, e questo cambia le cose."

Fonte: http://www.gatech.edu/

Last Update: 6. October 2011 06:27

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