3D-gedruckter Sensor erkennt COVID-19-Antikörper in Sekunden

Forscher der Carnegie-Mellon-Universität haben ein neues Gerät entwickelt, welches COVID-19-Antikörper innerhalb von 10 bis 15 Sekunden erkennen soll. Das Gerät geht jetzt in eine Testphase mit COVID-Patienten. Die Entwicklung besteht aus einem kostengünstigen Sensor, der aus winzigen Goldelektroden besteht, die mit der Aerosol Jet-Technologie von Optomec 3D-gedruckt wurden.

Das Gerät könnte, wenn es für den breiten Einsatz zugelassen wird, zu einem weiteren wichtigen Werkzeug im Kampf gegen die Pandemie sein. Mit ihm könnten Mediziner COVID-19-Antikörper bei Patienten sofort nachweisen, was zu einem tieferen Verständnis der Ausbreitung des Virus und zu einer besseren Chance der Viruskontrolle führen könnte. Darüber hinaus ist er kostengünstig in der Herstellung – angeblich im zweistelligen Dollarbereich.

Der 3D-gedruckte Sensor funktioniert dank einer spezifischen Geometrie und Oberflächeneigenschaften, die von Rahul Panat, außerordentlicher Professor für Maschinenbau an der Carnegie Mellon University, und seinem Team entwickelt wurden. Panat hat sich auf die Verwendung von AM zur Herstellung von Biosensorgeräten und Mensch-Computer-Schnittstellen spezialisiert.

“Mein Forschungsteam arbeitete an 3D gedruckten Hochleistungssensoren zum Nachweis von Dopamin, einer Chemikalie im Gehirn, als wir erkannten, dass wir unsere Arbeit für den COVID-19-Test anpassen konnten”, erklärte er. “Wir verlagerten unsere Forschung, um unser Fachwissen auf die Bekämpfung dieser verheerenden Pandemie anzuwenden. Das Aerosol-Jet-Verfahren war entscheidend für die Herstellung eines Sensors mit hoher Empfindlichkeit und Geschwindigkeit.”

Der 3D-gedruckte Sensor ist so konzipiert, dass SARS-CoV-2-Antikörper auch bei sehr niedrigen Konzentrationen identifiziert werden können. Im Wesentlichen wird ein sehr kleiner Tropfen Blut aus einer Fingerspitze auf den Sensor aufgebracht, der eine elektrochemische Reaktion auslöst, die das Spike-S1-Protein und die Rezeptorbindungsdomäne (RBD), zwei COVID-19-Antikörper, detektiert. Der 3D gedruckte Sensor ist in ein einfaches tragbares mikrofluidisches Gerät eingebettet, das über eine einfach zu bedienende Schnittstelle mit einem Smartphone verbunden ist. Der Sensor kann dann mit einer speziellen chemischen Substanz schnell (innerhalb einer Minute) gereinigt und wiederverwendet werden.

Die Aerosol Jet-Technologie von Optomec war für die Entwicklung des Sensors von entscheidender Bedeutung. Das Verfahren ist in der Lage, hochpräzise leitende und nichtleitende Materialien mit einer Feinheit von bis zu 10 Mikrometern zu drucken und druckt winzige Aerosoltröpfchen, die anschließend gesintert werden. In diesem Fall wird das Verfahren zum 3D-Drucken von 100 nanoskaligen Goldmikrosäulen-Elektroden innerhalb eines 2mm-Quadrats verwendet. Das Ergebnis ist ein Sensor mit einer unregelmäßigen Textur, der “eine vergrößerte Oberfläche der Mikrosäulen und eine verbesserte elektrochemische Reaktion erzeugt, bei der sich Antikörper an die auf der Elektrode beschichteten Antigene anheften können”. Die einzigartige Geometrie des Sensors ermöglicht es dem Sensor, mehr Proteine für die Erkennung zu verwenden, was zu schnellen und genauen Ergebnissen führt.