Bazujące na nanosieciach czujniki do zastosowań medycznych
W medycynie bioczujniki wykorzystywane są do wykrywania określonych chemicznych biomarkerów lub sekwencji DNA, które wywołują choroby lub są związane z podatnością na nie. Obecnie cząsteczki DNA można skwantyfikować jedynie przy pomocy scentralizowanych i zwykle kosztownych narzędzi. Monitorowanie stanu zdrowia w punkcie opieki zdrowotnej przy pomocy niedrogich urządzeń umożliwiłoby bardziej aktywne kontrole rozwoju guzów, bardziej spersonalizowane leczenie i lepszy poziom opieki nad pacjentem. Aby móc wykorzystać bioczujniki w praktyce klinicznej, w ramach finansowanego przez UE projektu Nanonets2Sense sprawdzano potencjalne możliwości wykorzystania nanosieci na potrzeby trójwymiarowej integracji bioczujników z technologią wytwarzania niskonapięciowych układów scalonych, zwaną CMOS. „Dostępne obecnie biochipy DNA bazują zazwyczaj na technice znakowania, w której poddawane badaniu cząsteczki DNA pochodzące z próbki materiału biologicznego są najpierw oznaczane fluorescencyjnymi znacznikami, aby przy pomocy stosownej sondy uwidocznić miejsce ich unieruchomienia”, wyjaśnia Mireille Mouis, badaczka z Krajowego Centrum Badań Naukowych we Francji (CNRS) i koordynatorka projektu Nanonets2Sense. „Działalność z zakresu badań i rozwoju skupia się obecnie na metodach niewymagających znakowania, w których interakcje między cząsteczkami docelowymi i sondą są wykrywane bezpośrednio poprzez modyfikację elektronicznych, optycznych lub mechanicznych właściwości przetwornika”.
Urządzenie kompaktowe
Nanosieci to losowe matryce cienkich i długich struktur zwanych nanoprzewodami. Jak twierdzi Mouis, niedawno odkryto, że możliwe jest wytworzenie nanosieci złożonych z nanoprzewodów wykonanych z krzemu lub tlenku cynku i nadanie im właściwości przewodzących w toku niedrogiego procesu oddolnego. Uzyskany materiał półprzewodnikowy można wykorzystać jako aktywny surowiec w bioczujnikach. „Dzięki takiemu procesowi wytwarzania stworzyliśmy urządzenia o cechach kluczowych dla obiecujących czujników opartych na nanosieciach, pozbawionych jednocześnie kosztu związanego z integracją, który dotąd wstrzymywał ich rozwój i możliwość wykorzystania w czujnikach”, wyjaśnia Mouis. W tym kompaktowym urządzeniu czujniki umieszczone są na szczycie obwodu odczytowego, dzięki czemu mają bezpośrednią styczność z wykrywanymi biocząsteczkami. Taka konstrukcja nie tylko zapewnia, że elektroniczne części odpowiadające za odczyt i kondycjonowanie na poziomie krzemowego układu CMOS są chronione przed wilgocią, ale także, że można je pionowo połączyć przy pomocy backendu na płytce CMOS. Umożliwia to kompaktowe trasowanie, co z kolei pozwala na odczyty możliwie dużych matryc czujników. Jest to cecha, która może poprawić wiarygodność procesu detekcji.
Wytyczanie nowych szlaków
Wychodząc od bardzo prostej technologii, zespół projektu Nanonets2Sense z powodzeniem stworzył i zwalidował wszystkie innowacyjne technologicznie części składowe potrzebne, aby poprawić funkcjonalność mikromacierzy CMOS, wyposażając ją w bioczujniki oparte na nanosieciach. Nowością jest także schemat odczytu. „Przed tym projektem nie podjęto praktycznie żadnej próby opracowania urządzeń bazujących na nanosieciach z krzemu lub tlenku cynku, które byłyby odpowiednie do wykorzystania w miejscach opieki nad pacjentami. Ten obszar był w znacznej mierze niepoznany”, mówi Mouis. „Naszym najważniejszym celem było doprowadzenie do pełnej trójwymiarowej integracji bioczujników na płytce CMOS, a teraz dysponujemy technologią niezbędną do przeprowadzenia tego procesu w warunkach przemysłowych”.
Słowa kluczowe
Nanonets2Sense, bioczujniki, miejsce opieki nad pacjentem, nanosieci, CMOS, DNA, biomarker, nanostruktury, nanoprzewody