氣溶膠噴射納米級顆粒3D打印的COVID-19測試芯片可快速檢測出抗體

來源：江蘇激光聯(lián)盟

據(jù)悉，來自卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員開發(fā)了一個(gè)基于納米材料的生物傳感平臺，該平臺可在幾秒鐘內(nèi)檢測出SARS-CoV-2特異性抗體，SARS-CoV-2是造成COVID-19大流行的病毒。除了測試外，該平臺還將有助于準(zhǔn)確量化患者對新疫苗的免疫反應(yīng)。

近年來新出現(xiàn)的傳染源（例如SARS-CoV，SARS-CoV-2，流感病毒，ZIKA病毒和埃博拉病毒）引起的快速傳播流行病已嚴(yán)重影響人類健康，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)活動(dòng)喪失，并對醫(yī)療保健系統(tǒng)構(gòu)成挑戰(zhàn)。2020年以來，SARS-CoV-2病毒導(dǎo)致的COVID-19在全球產(chǎn)生了重大影響。目前全世界范圍內(nèi)正在探索幾種涉及先進(jìn)材料的方法來治療COVID-19。盡管這些努力涉及治療方面，但先進(jìn)的材料也可以用于創(chuàng)建新的范例來測試疾病，從而在對抗流行病方面發(fā)揮關(guān)鍵作用�？焖贆z測到感染可以隔離患者并進(jìn)行聯(lián)系追蹤，可以挽救生命并幫助恢復(fù)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。即使在經(jīng)濟(jì)開放后，也可能會(huì)出現(xiàn)二次高峰，所以需要低成本、快速的方法來早期發(fā)現(xiàn)感染。尤其因?yàn)楹艽笠徊糠謧鞑ゼ膊〉幕颊呤菬o癥狀的。另外，如果開發(fā)了通用設(shè)備，則可以大量用于檢測多種疾病的生物標(biāo)志物，從而有益于公共健康。

能夠在幾分鐘（如果可能的話，幾秒）之內(nèi)，理想情況下是在感染后的幾天內(nèi)快速檢測出SARS-CoV-2感染的抗體的檢測方法目前迫切需要被開發(fā)。如果通過智能手機(jī)能夠讀出，這對于醫(yī)療不足的地區(qū)尤其有用。電化學(xué)傳感是檢測病原體或抗體的一種很有前景的方法。用這種方法，通過電化學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)檢測抗體-抗原復(fù)合物的形成。但是，除了抗原和測定程序外，檢測的靈敏度、特異性和速度還取決于電化學(xué)電池以及電極的幾何形狀和表面化學(xué)性質(zhì)。在常規(guī)的電化學(xué)傳感器中，電極通常是平面的2D結(jié)構(gòu)，通常用納米材料裝飾以增加其表面積。

我們注意到，生物傳感設(shè)備的復(fù)雜性隨著微電子學(xué)的發(fā)展而發(fā)展，從生物MEMS到由先進(jìn)的光刻技術(shù)制成的小型芯片實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)。最近，在微電子學(xué)中出現(xiàn)了涉及先進(jìn)材料的基于納米顆粒的3D打印方法，這些方法可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的幾何形狀、材料組合和定制的微結(jié)構(gòu)。在不同的增材制造方法中，Aerosol Jet(AJ)3D打印是一種使用霧化液滴流以10 μm的分辨率沉積納米材料陣列的技術(shù)，已被用于制造各種電子設(shè)備。來自卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)副教授Rahul Panat帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)利用材料和制造領(lǐng)域的最新進(jìn)展，例如納米粒子3D打印技術(shù)，創(chuàng)建了一種可以快速檢測COVID-19抗體的設(shè)備。他們的研究范圍從腦機(jī)接口到生物監(jiān)測設(shè)備。該研究成果發(fā)表在Advanced Materials雜志上。卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的合作者包括匹茲堡大學(xué)(Pitt)和UPMC。

圖1. 通過Aerosol Jet納米粒子3D打印的COVID-19測試芯片（3DcC）的制造過程示意圖

生物傳感平臺是通過三維電極的3D納米打印，用還原性氧化石墨烯(reduced‐graphene‐oxide, rGO)的納米薄片覆蓋電極并將特定的病毒抗原固定在rGO納米薄片上而創(chuàng)建的。然后將電極與微流體裝置集成，并用于標(biāo)準(zhǔn)電化學(xué)電池。當(dāng)抗體被引入電極表面時(shí)，它們選擇性地與抗原結(jié)合，改變通過阻抗譜檢測的電路阻抗。

該測試平臺可以在很小的一滴血液（約5微升）中識別出兩種病毒的抗體，即S1蛋白和受體結(jié)合域（RBD）。抗體濃度可能極低，并且仍低于1皮摩爾（0.15納克/毫升）。這種檢測是通過手持式微流體設(shè)備內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的，該反應(yīng)幾乎立即將結(jié)果發(fā)送到智能手機(jī)上的簡單界面。

微小、便宜的金微柱狀電極使用熱燒結(jié)在一起的氣溶膠液滴以納米級進(jìn)行印刷。這會(huì)導(dǎo)致粗糙，不規(guī)則的表面，從而增加微柱的表面積并增強(qiáng)電化學(xué)反應(yīng)，其中抗體可以閂鎖在電極上包覆的抗原上。特定的幾何形狀允許微柱加載更多的蛋白質(zhì)進(jìn)行檢測，從而獲得非常準(zhǔn)確，快速的結(jié)果。

▲圖2. 3D打印微柱電極和3DcC傳感器操作的功能化。a)表面處理(步驟1)之前的AJ-印刷金微柱。b)通過羧基化(COOH) rGO片材，通過簡單的滴鑄工藝(步驟2)。

該測試的錯(cuò)誤率非常低，因?yàn)樵撛O(shè)備中使用的抗體和抗原之間的結(jié)合反應(yīng)具有很高的選擇性。研究人員能夠利用這種自然設(shè)計(jì)發(fā)揮自己的優(yōu)勢。

該結(jié)果是在COVID-19疫情期間的緊迫時(shí)刻提出的。由于他們的技術(shù)可以量化對疫苗接種的免疫反應(yīng)，因此在當(dāng)前環(huán)境下非常重要。

▲通過氣溶膠噴射納米顆粒3D打印制成的COVID-19測試芯片的圖像。圖片來源供：卡內(nèi)基梅隆大學(xué)先進(jìn)制造和材料實(shí)驗(yàn)室

Panat與UPMC Hillman癌癥中心的癌癥病毒學(xué)計(jì)劃負(fù)責(zé)人，Pitt的微生物學(xué)和分子遺傳學(xué)教授高守江（Shou-Jiang Gao）合作。Panat先進(jìn)制造和材料實(shí)驗(yàn)室的研究員Azahar Ali是該研究的主要作者。

對傳染病的治療和預(yù)防進(jìn)行快速診斷是一個(gè)公共衛(wèi)生問題，已超出當(dāng)前的COVID-19范圍。由于建議的傳感平臺具有通用性，因此可用于快速檢測其他傳染原（例如埃博拉，HIV）的生物標(biāo)志物。這種快速有效的測試可能是控制疾病傳播的游戲規(guī)則。

本文來源：Sensing of COVID-19 antibodies in seconds via aerosol jet nanoprinted reduced graphene oxide coated three dimensional electrodes. Advanced Materials. onlinelibrary.wiley.com/doi/fu … .1002/adma.202006647