Tufts-Ingenieure präsentieren Wearable-Sensor für Pathogene, Toxine & Gefahrenchemikalien

Tufts University, Medford, MA

Eine Drohne, deren Rumpf mit Sensormaterial eingebettet ist. (Bild: SilkLab)

Biopolymer-Sensor: Leuchtet bei Bedrohungserkennung

Forscher an der Tufts School of Engineering haben eine Methode entwickelt, um Bakterien, Toxine und gefährliche Chemikalien in der Umgebung mit einem Biopolymer-Sensor zu detektieren, der wie Tinte auf eine breite Palette von Materialien gedruckt werden kann – einschließlich Wearables.

Mithilfe eines Enzyms, ähnlich dem in Glühwürmchen gefundenen, leuchtet der Sensor – basierend auf computergedesigneten Proteinen und Seidenfibroin, extrahiert aus den Kokons der Seidenraupe Bombyx Mori – auf, wenn er diese unsichtbaren Bedrohungen detektiert.

Der Biopolymer-Sensor kann auch in Folien, Schwämme und Filter eingebettet oder wie Kunststoff geformt werden, um luft- und wassergetragene Gefahren zu beproben und zu detektieren oder Infektionen in unserem Körper zu signalisieren.

Die Sensoren erfordern derzeit einen Sprühstoß mit einem ungiftigen Chemikalien nach potenzieller Exposition gegenüber Bakterien, Toxinen und gefährlichen Chemikalien. Wenn das Ziel vorhanden ist, erzeugt der Sensor Licht; die Intensität des emittierten Lichts liefert ein quantitatives Maß für die Konzentration des Ziels.

„Die Kombination aus laborentworfenen Proteinen und Seide ist eine Sensorplattform, die angepasst werden kann, um eine breite Palette chemischer und biologischer Agenten mit hohem Grad an Spezifität und Sensitivität zu detektieren“, sagte Professor Fiorenzo Omenetto, Direktor, Tufts SilkLab. „Zum Beispiel können SARS-CoV-2 und Anti-Hepatitis-B-Antikörper auf Niveaus gemessen werden, die Heimtests nahekommen.“

Das Sensorelement ist modular, sodass Entwickler neu entworfene Proteine austauschen können, um spezifische Pathogene oder Moleküle zu erfassen, während der Lichtemissionsmechanismus gleich bleibt.

„Mit dem Sensor können wir Spuren von luftgetragenem SARS-CoV-2 aufspüren oder ihn uns so modifizieren vorstellen, dass er sich an die nächste öffentliche Gesundheitsbedrohung anpasst“, sagte Omenetto.

Vielseitige Formfaktoren: Drohnen, Masken, Lebensmittelverpackung

Die Sensoren können vielfältige Formen annehmen, wie das Forschungsteam durch die Erstellung von virensensierenden Drohnen demonstrierte, deren Rumpf mit dem Sensormaterial eingebettet war. Während des Flugs leiten die Propeller Luftstrom durch den porösen Körper der Drohne, der nach der Landung untersucht werden kann. Die Drohnen, die in diesem Fall auf luftgetragene Pathogene reagierten, könnten die Überwachung von Umgebungen aus sicherer Distanz ermöglichen.

Die Forscher testeten die Haltbarkeit von Materialien mit eingebetteten SARS-CoV-2-Sensoren nach Lagerung bei 60 °C für vier Monate und fanden kaum Leistungsänderung.

„Das bedeutet, wir können diese Sensorschnittstellen lange herstellen, vertreiben und lagern, ohne Empfindlichkeit oder Genauigkeit zu verlieren und ohne Kühllagerung – was bemerkenswert ist, da sie aus Protein bestehen“, sagte Luciana d'Amone, Projekt-Co-Leiterin. Zusätzlich könnte dies die Sensorformate erweitern.

„Man könnte beispielsweise OP-Masken herstellen, die Pathogene detektieren, sie in Schachteln verpacken und sie über Zeit wie herkömmliche Masken nutzen“, sagte d'Amone. „Wir zeigten auch, dass man den Sensor in Lebensmittelverpackungen drucken kann, um Verderb und Toxine zu tracken. Man kann so viele Produkte, die wir täglich nutzen, modifizieren, um Sensing zu integrieren, und sie wie gewohnt lagern und nutzen.“

Das Team sieht Sensoranwendungen von persönlicher und Patientenüberwachung, Infektionskontrolle in Gesundheitseinrichtungen bis hin zu Umweltsensing in Heim, Arbeitsplatz, Militär und Katastrophengebieten.

Für weitere Informationen kontaktieren Sie Mike Silver unter mike.silver@tufts.edu; 617-627-0545.