SMU e l’Università del Rhode Island hanno brevettato un metodo economico e facile da usare per creare nanopori solidi (SSN), rendendo possibile anche l’autopulizia dei nanopori ostruiti.
Credito immagine: SMU
La tecnologia, chiamata rottura dielettrica controllata chimicamente (CT-CDB), affronta due problemi principali che hanno impedito che i nanopori allo stato solido, che sono troppo piccoli per essere visti dall’occhio umano, vengano spesso utilizzati per costruire biosensori in grado di misurare il livello biologico e Reazioni chimiche di un campione.
I biosensori hanno una vasta gamma di applicazioni mediche, consentendo una diagnosi e un monitoraggio rapidi, precoci ed efficaci delle malattie.
“Abbiamo prodotto nanopori che aggirano notevolmente gli svantaggi tradizionali associati ai nanopori allo stato solido (SSN) utilizzando questa tecnologia”. ha affermato uno dei titolari del brevetto, Minjun Kim, titolare della cattedra Robert C. Womack presso la Lyle School of Engineering della Singapore Management University e ricercatore principale presso il laboratorio BAST.
I nanosensori sono ideali per il biosensing, perché sono meno costosi da produrre rispetto alla tecnologia attuale e consentono l’analisi in tempo reale di un piccolo campione. Inoltre, i nanosensori prodotti artificialmente sono più durevoli dei nanopori naturali presenti nel nostro corpo, il che li rende più facili da utilizzare nei nanodispositivi.
I dispositivi SSN sono costituiti da un piccolo foro, o nanoporo, in quella che è nota come membrana, un sottile strato di materiale che forma una barriera tra due serbatoi pieni di soluzioni ioniche.
Quando viene applicata una tensione attraverso la membrana, una corrente ionica scorre attraverso il nanoporo.
Per saperne di più su una particolare sostanza, i ricercatori fanno passare un piccolo campione attraverso i pori in un serbatoio; Ciascuna biomolecola registra quindi il proprio segnale mentre passa attraverso i nanopori a causa di un cambiamento nel campo elettrico. Questi segnali di corrente elettrica consentono di conoscere le proprietà biologiche e chimiche di quella sostanza.
“Un modo rapido e semplice per fabbricare singoli nanopori è utilizzare la rottura dielettrica controllata, o CDB, su scala nanometrica”, Ha detto Kim.
Un guasto elettrico si verifica quando un materiale elettricamente isolante (dielettrico) si trasforma improvvisamente in un conduttore dopo essere stato esposto ad alta tensione, consentendo alla corrente elettrica di fluire attraverso di esso. La tecnologia CDB si basa sull’applicazione di una tensione elettrica attraverso una membrana isolante per generare un campo elettrico elevato, monitorando al tempo stesso la corrente di dispersione indotta. La corrente di dispersione indotta è dovuta al tunneling degli elettroni attraverso trappole o a difetti intrinseci presenti nelle membrane. Dopo un certo periodo di tempo, le trappole cariche si accumulano e alla fine si verifica la rottura elettrica della membrana, dando origine a singoli nanopori.
Ma ci sono due problemi coerenti con i pori creati da questo approccio: derive nel flusso dei pori aperti e adesione irreversibile dell’analita.
Le derive nella corrente a poro aperto sono cambiamenti graduali o fluttuazioni nella corrente di base che scorre attraverso il nanoporo quando è sbloccato. Queste derive possono influenzare l’accuratezza e l’affidabilità delle misurazioni effettuate con nanopori allo stato solido.
L’attaccamento irreversibile dell’analita si riferisce al momento in cui la sostanza da misurare o analizzata (l’analita) si attacca in modo permanente al nanoporo, invece di attraversarlo.
Entrambi i problemi possono interferire con la capacità dei ricercatori di ottenere misurazioni coerenti a lungo termine dai nanopori.
Per superare questi ostacoli, i ricercatori della SMU e dell’Università del Rhode Island hanno sviluppato un metodo per modificare il CDB utilizzando un additivo chimico noto come ipoclorito di sodio, o NaOCl, durante lo sviluppo di SSN di nitruro di silicio a film sottile.
I ricercatori hanno scoperto che l’aggiunta di ipoclorito di sodio produceva nanopori che avevano una probabilità significativamente inferiore di intasarsi rispetto ai nanopori prodotti convenzionalmente e risultavano anche in pori privi di derive nei flussi a pori aperti. Questi vantaggi hanno comportato una riduzione dei tempi di inattività tra le prove.
“Ciò ha comportato una differenza significativa nella chimica superficiale dei nanopori porosi, migliorandone notevolmente le prestazioni”. Ha detto Kim.
Kim è noto a livello internazionale per i suoi contributi allo sviluppo della nanobiotica e della microbiotica e per le loro ampie applicazioni nella nanomedicina. Ad esempio, ha sviluppato dispositivi che un giorno potrebbero essere in grado di somministrare farmaci ai tumori, liberare le arterie ostruite e aiutare i medici a vedere cosa succede nei punti più difficili da raggiungere del corpo.
I co-inventori del CT-CDB sono Nuwan Bandara e Budini Karaudinia, assistenti professori presso il Dipartimento di Chimica e Biochimica presso la Ohio State University; Jugal Saharia, assistente professore di ingegneria meccanica presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Università di Houston-Clear Lake; e Jason Dwyer, professore di chimica all’Università del Rhode Island.
Bandara e Karaudinia erano ex ricercatori post-dottorato presso la Singapore Management University che lavoravano nel laboratorio BAST, mentre Saharia era un’ex studentessa di dottorato di Kim.
L’Ufficio Brevetti e Marchi degli Stati Uniti ha maggiori informazioni sul brevetto rilasciato il 14 maggio, Qui.
