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)基梅隆大學的研究人員開發(fā)了一個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重影響人類健康，導致經(jīng)濟活動喪失，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。快速檢測到感染可以隔離患者并進行聯(lián)系追蹤，可以挽救生命并幫助恢復經(jīng)濟活動。即使在經(jīng)濟開放后，也可能會出現(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。尤其因為很大一部分傳播疾病的患者是無癥狀的。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)。如果通過智能手機能夠讀出，這對于醫(yī)療不足的地區(qū)尤其有用。電化學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，通過電化學轉(zhuǎn)導檢測抗體-抗原復合物的形成。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電池以及電極的幾何形狀和表面化學性質(zhì)。在常規(guī)的電化學傳感器中，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)備的復雜性隨著微電子學的發(fā)展而發(fā)展，從生物MEMS到由先進的光刻技術(shù)制成的小型芯片實驗室結(jié)構(gòu)。最近，在微電子學中出現(xiàn)了涉及先進材料的基于納米顆粒的3D打印方法，這些方法可以實現(xiàn)復雜的幾何形狀、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)基梅隆大學機械工程學副教授Rahul Panat帶領(lǐng)的研究團隊利用材料和制造領(lǐng)域的最新進展，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?？▋?nèi)基·梅隆大學的合作者包括匹茲堡大學(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，并用于標準電化學電池。當抗體被引入電極表面時，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）?？贵w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行印刷。這會導致粗糙，不規(guī)則的表面，從而增加微柱的表面積并增強電化學反應(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)進行檢測，從而獲得非常準確，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)。

該測試的錯誤率非常低，因為該設(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)基梅隆大學先進制造和材料實驗室

Panat與UPMC Hillman癌癥中心的癌癥病毒學計劃負責人，Pitt的微生物學和分子遺傳學教授高守江（Shou-Jiang Gao）合作。Panat先進制造和材料實驗室的研究員Azahar Ali是該研究的主要作者。

對傳染病的治療和預防進行快速診斷是一個公共衛(wèi)生問題，已超出當前的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