AUSTIN, Texas - Inspiriert von der Kunst des Papierfaltens von Origami haben Chemiker an der University of Texas in Austin einen 3-D-Papiersensor entwickelt, mit dem Krankheiten wie Malaria und HIV für weniger als 10 Cent pro Kopf getestet werden können .
Solche kostengünstigen „Point-of-Care“ -Sensoren könnten in Entwicklungsländern, in denen die Ressourcen für laborbasierte Tests häufig nicht zur Verfügung stehen und die Infrastruktur selbst dann, wenn das Geld verfügbar ist, unglaublich nützlich sein Oft existiert nicht, um biologische Proben zum Labor zu transportieren.
"Hier geht es um Medizin für alle", sagt Richard Crooks, Robert A. Welch Professor für Chemie.
Eindimensionale Papiersensoren, wie sie beispielsweise in Schwangerschaftstests verwendet werden, sind bereits weit verbreitet, weisen jedoch Einschränkungen auf. Die von Crooks und Doktorand Hong Liu entwickelten gefalteten 3-D-Sensoren können mehr Substanzen auf einer kleineren Oberfläche testen und Ergebnisse für komplexere Tests liefern.
Dieser von Origami inspirierte Papiersensor, der von den Chemikern Hong Liu und Richard Crooks entwickelt wurde, kann leicht von Hand zusammengebaut werden. Möglicherweise kann es bald kostengünstig auf Krankheiten wie Malaria und HIV getestet werden. Bildnachweis: Alex Wang.
"Jeder kann sie falten", sagt Crooks. "Du brauchst keinen Spezialisten, also kannst du dir gut vorstellen, dass eine NGO aus Freiwilligen besteht, die diese Dinge zusammenfalten und verteilen. Sie sind einfach zu produzieren, sodass die Produktion auch auf die Kundschaft verlagert werden kann. Sie müssen nicht in der entwickelten Welt hergestellt werden. "
Die Ergebnisse der Experimente des Teams mit dem Origami Paper Analytical Device (oPAD) wurden im Oktober im Journal der American Chemical Society und letzte Woche in Analytical Chemistry veröffentlicht.
Die Inspiration für den Sensor kam, als Liu ein wegweisendes Papier des Chemikers der Harvard University, George Whitesides, las.
Whitesides war der erste Hersteller eines dreidimensionalen "mikrofluidischen" Papiersensors, der auf biologische Ziele testen konnte. Sein Sensor war jedoch teuer und zeitaufwendig in der Herstellung und wurde so konstruiert, dass seine Verwendung eingeschränkt war.
"Sie mussten mehrere Papierstücke mit Hilfe der Fotolithografie strukturieren, mit Lasern schneiden und dann mit doppelseitigem Klebeband zusammenkleben", sagt Liu, ein Mitglied von Crooks 'Labor. „Als ich die Zeitung las, fiel mir ein, wie ich als Kind in China aufgewachsen war und unser Lehrer uns Origami beigebracht hat. Mir wurde klar, dass es nicht so schwierig sein musste. Es kann sehr einfach sein. Falten Sie einfach das Papier und üben Sie dann Druck aus. “
Innerhalb weniger Wochen Experimente hatte Liu den Sensor auf einem einfachen Blatt unter Verwendung von Fotolithografie oder einfach in einem Büro, das sie im Labor hatten, hergestellt. Das Umfalten in mehrere Schichten dauert weniger als eine Minute und erfordert weder Werkzeuge noch spezielle Ausrichtungstechniken. Nur die Finger.
Crooks sagt, dass die dem Sensor zugrunde liegenden Prinzipien, die sie erfolgreich auf Glukose und ein gemeinsames Protein getestet haben, mit dem Schwangerschaftstest zu Hause zusammenhängen. Ein hydrophobes Material wie Wachs oder Fotolack wird auf Chromatographiepapier in winzige Schluchten gelegt. Es leitet die zu testende Probe - beispielsweise Urin, Blut oder Speichel - zu Stellen auf dem Papier, an denen Testreagenzien eingelagert wurden.
Wenn die Probe ein beliebiges Ziel hat, das der Sensor erkennen soll, reagiert sie auf leicht erkennbare Weise. Es kann beispielsweise eine bestimmte Farbe annehmen oder unter UV-Licht fluoreszieren. Dann kann es mit dem Auge abgelesen werden.
„Es gibt bereits Biomarker für alle Arten von Krankheiten“, sagt Crooks. „Grundsätzlich testen Sie Reagenzien für diese Marker auf diesen Papierflüssigkeiten. Sie sind dort gefangen. Dann stellen Sie Ihre Probe vor. Am Ende faltest du dieses Stück Papier auseinander und wenn es eine Farbe hat, hast du ein Problem, und wenn nicht, dann bist du wahrscheinlich in Ordnung. "
Crooks und Liu haben auch eine Möglichkeit entwickelt, ihren Sensor mit einer einfachen Batterie auszustatten, damit Tests durchgeführt werden können, die Strom erfordern. Ihr Prototyp verwendet Aluminiumfolie und sucht nach Glukose im Urin. Crooks schätzt, dass sich durch die Verwendung einer solchen Batterie die Herstellungskosten des Sensors nur um wenige Cent erhöhen.
"Man pinkelt einfach drauf und es leuchtet auf", sagt Crooks. „Der Urin hat genug Salz, um die Batterie zu aktivieren. Es fungiert als Elektrolyt für die Batterie. “