Neuer Gesichtsmaske-Prototyp diagnostiziert COVID-19 in 90 Minuten mit fortschrittlicher Sensortechnologie

Ingenieure entwarfen eine neuartige Gesichtsmaske, die den Träger innerhalb von etwa 90 Minuten auf COVID-19 diagnostizieren kann. Die Masken sind mit winzigen, wegwerfbaren Sensoren eingebettet, die in andere Gesichtsmasken eingepasst werden können und auch angepasst werden könnten, um andere Viren zu detektieren.

Die Sensoren basieren auf gefriergetrockneter zellulärer Maschinerie, die das Forschungsteam zuvor für Paperdiagnostik bei Viren wie Ebola und Zika entwickelt hatte. In einer neuen Studie zeigte das Team, dass die Sensoren nicht nur in Gesichtsmasken, sondern auch in Kleidung wie Laborkitteln integriert werden können, was potenziell eine neue Möglichkeit bietet, die Exposition von Gesundheitspersonal gegenüber einer Vielzahl von Pathogenen oder anderen Bedrohungen zu überwachen.

Das Team demonstrierte die Fähigkeit, eine breite Palette synthetischer Biologiesensoren gefrierzutrocknen, um virale oder bakterielle Nukleinsäuren sowie giftige Chemikalien einschließlich Nervengifte zu detektieren. Die Gesichtsmaskensensoren sind so konzipiert, dass sie vom Träger aktiviert werden können, wenn sie bereit sind, den Test durchzuführen, und die Ergebnisse nur auf der Innenseite der Maske angezeigt werden, um die Privatsphäre des Nutzers zu wahren.

Die Proteine und Nukleinsäuren, die benötigt werden, um synthetische Gennetzwerke zu erstellen, die auf spezifische Zielmoleküle reagieren, konnten in Papier eingebettet werden. Ein weiteres zellfreies Sensorsystem, bekannt als SHERLOCK, basiert auf CRISPR-Enzymen und ermöglicht hochsensitive Detektion von Nukleinsäuren.

Diese zellfreien Schaltkreiskomponenten werden gefriergetrocknet und bleiben viele Monate stabil, bis sie rehydriert werden. Wenn sie durch Wasser aktiviert werden, können sie mit ihrem Zielmolekül interagieren, das jede RNA- oder DNA-Sequenz sowie andere Molekültypen sein kann, und ein Signal erzeugen, wie eine Farbänderung. Die Forscher begannen, diese Sensoren in Textilien zu integrieren, mit dem Ziel, einen Laborkittel für Gesundheitspersonal oder andere mit potenzieller Pathogenexposition zu schaffen.

Zuerst führte das Team einen Screen von hunderten verschiedenen Stofftypen durch, von Baumwolle und Polyester bis Wolle und Seide, um herauszufinden, welche mit dieser Art von Sensor kompatibel sein könnten. Das Beste war eine Kombination aus Polyester und anderen synthetischen Fasern. Um tragbare Sensoren herzustellen, betteten die Forscher ihre gefriergetrockneten Komponenten in einen kleinen Abschnitt dieses synthetischen Stoffes ein, wo sie von einem Ring aus Silikon-Elastomer umgeben sind. Diese Kompartimentierung verhindert, dass die Probe verdunstet oder vom Sensor wegdiffundiert. Um die Technologie zu demonstrieren, erstellten die Forscher eine Jacke mit etwa 30 dieser Sensoren.

Sie zeigten, dass ein kleiner Spritzer Flüssigkeit mit Virenteilchen, der die Exposition gegenüber einem infizierten Patienten nachahmt, die gefriergetrockneten Zellkomponenten hydratisieren und den Sensor aktivieren kann. Die Sensoren können so konzipiert werden, dass sie verschiedene Signalarten erzeugen, einschließlich einer Farbänderung, die mit bloßem Auge sichtbar ist, oder eines fluoreszierenden oder lumineszenten Signals, das mit einem Handspektrometer gelesen werden kann. Sie entwarfen auch ein tragbares Spektrometer, das in den Stoff integriert werden konnte, wo es die Ergebnisse lesen und drahtlos an ein Mobilgerät übertragen kann.

Um die Diagnose-Gesichtsmaske herzustellen, bettete das Team gefriergetrocknete SHERLOCK-Sensoren in eine Papiermaske ein. Wie bei den tragbaren Sensoren sind die gefriergetrockneten Komponenten von Silikon-Elastomer umgeben. In diesem Fall werden die Sensoren auf der Innenseite der Maske platziert, damit sie Virenteilchen im Atem der Person detektieren können, die die Maske trägt.

Die Maske enthält auch ein kleines Wasserreservoir, das per Knopfdruck freigesetzt wird, wenn der Träger bereit ist, den Test durchzuführen. Dies hydratisiert die gefriergetrockneten Komponenten des SARS-CoV-2-Sensors, der angesammelte Atemtröpfchen auf der Innenseite der Maske analysiert und innerhalb von 90 Minuten ein Ergebnis liefert.

Die Prototypen haben Sensoren auf der Innenseite der Maske, um den Status des Nutzers zu detektieren, sowie Sensoren auf der Außenseite von Kleidungsstücken, um Umweltexposition zu detektieren. Die Forscher können auch Sensoren für andere Pathogene wie Influenza, Ebola und Zika oder Sensoren, die sie entwickelt haben, um Organophosphat-Nervengifte zu detektieren, austauschen.