SMU y Universidad de Rhode Island patentó un método económico y fácil de usar para crear nanoporos de estado sólido (SSN) y al mismo tiempo permitir la autolimpieza de los nanoporos bloqueados.
Crédito de la foto: SMU
Una técnica llamada ruptura dieléctrica controlada químicamente (CT-CDB) aborda dos problemas principales de los nanoporos de estado sólido que no se utilizan con frecuencia (demasiado pequeños para ser vistos por el ojo humano) para crear biosensores biológicos y escalables. Reacciones químicas de una muestra determinada.
Los biosensores tienen una amplia gama de aplicaciones clínicas, lo que permite un diagnóstico y seguimiento de enfermedades rápido, temprano y eficaz.
«Usando esta técnica, produjimos nanoporos que superan los inconvenientes tradicionales asociados con los nanoporos de estado sólido (SSN)». Escuela de Ingeniería Robert C. Lyle en SMU. dijo MinJun Kim, uno de los titulares de la patente, presidente de Womack e investigador principal del laboratorio BAST.
Los SSN son ideales para la biodetección porque su desarrollo es menos costoso en comparación con la tecnología existente y permiten el análisis en tiempo real de una muestra pequeña. Además, los SSN sintéticos son más robustos que los nanoporos que se encuentran naturalmente en nuestro cuerpo, lo que los hace más fáciles de usar en nanodispositivos.
Los dispositivos SSN consisten en un pequeño poro o nanoporo conocido como membrana, una lámina delgada que forma una barrera entre dos depósitos llenos de soluciones iónicas.
Cuando se aplica un voltaje eléctrico a través de la membrana, una corriente iónica fluye a través del nanoporo.
Para aprender más sobre un material en particular, los investigadores envían una pequeña muestra a través de un agujero a uno de los depósitos; Un cambio en el campo eléctrico hace que cada biomolécula registre su propia señal a medida que pasa a través del nanoporo. Estas señales eléctricas permiten conocer las propiedades biológicas y químicas de la sustancia.
«Un método rápido y sencillo para crear un único nanoporo es utilizar la ruptura dieléctrica controlada, o CDB, a nanoescala». Dijo Kim.
La ruptura dieléctrica ocurre cuando un material dieléctrico (un dieléctrico) repentinamente se convierte en conductor después de haber sido sometido a un alto voltaje. CDB se basa en la aplicación de un voltaje a través de la membrana dieléctrica para generar un campo eléctrico intenso mientras se monitorea la corriente de fuga inducida. La corriente de fuga inducida se debe a la tunelización de electrones a través de trampas o defectos intrínsecos en la membrana. Después de un cierto tiempo, las trampas cargadas se acumulan y, finalmente, se produce una ruptura dieléctrica de la membrana, lo que da como resultado un nanoporo.
Pero hay dos problemas persistentes con los poros fabricados con este enfoque: derivas en la corriente de poro abierto y adherencia irreversible del analito.
Las derivas en la corriente de poro abierto son cambios o fluctuaciones graduales en la corriente base que fluye libremente a través del nanoporo. Estas derivas pueden afectar la precisión y confiabilidad de las mediciones tomadas con nanoporos de estado sólido.
La adhesión irreversible del analito se refiere al hecho de que la sustancia que se mide o analiza (el analito) está unida permanentemente en lugar de pasar a través del nanoporo.
Ambos problemas pueden interferir con la capacidad de los investigadores para obtener mediciones consistentes y a largo plazo a partir de nanoporos.
Para superar estos obstáculos, investigadores de SMU y la Universidad de Rhode Island han desarrollado un método para reemplazar el CDB con un aditivo químico llamado hipoclorito de sodio o NaOCl, mientras fabrican SSN con membranas delgadas de nitruro de silicio.
Los investigadores encontraron que la adición de hipoclorito de sodio creó nanoporos que eran menos propensos a obstruirse que los nanoporos fabricados convencionalmente y creó poros que estaban libres de derivas en las corrientes de poros abiertos. Estas ventajas redujeron el tiempo de inactividad entre pruebas.
«Esto dio como resultado una química de superficie de nanoporos dramáticamente diferente, lo que mejoró significativamente su rendimiento». Dijo Kim.
Kim es conocido internacionalmente por sus contribuciones al desarrollo de nano y microbiótica y sus amplias aplicaciones para la nanomedicina. Por ejemplo, ha desarrollado dispositivos que algún día administrarán medicamentos a los tumores, desbloquearán las arterias obstruidas y ayudarán a los médicos a ver lo que sucede en lugares del cuerpo de difícil acceso.
Los co-inventores de CT-CDB son Nuan Bandara y Budhini Karavthenia, profesores asistentes del Departamento de Química y Bioquímica de la Universidad Estatal de Ohio; Jugal Saharia, profesor asistente de ingeniería mecánica en el Departamento de Ingeniería de la Universidad de Houston-Clear Lake; y Jason Dwyer, profesor de química de la Universidad de Rhode Island.
Bandara y Garavthenia son ex investigadores postdoctorales de SMU que trabajan en el laboratorio BAST, ex estudiante de doctorado de Sahariya Kims.
La Oficina de Patentes y Marcas de EE. UU. tiene más información sobre la patente publicada el 14 de mayo. Aquí.
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