Регистрация / Вход
Прислать материал

14.575.21.0066

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.575.21.0066
Тематическое направление
Науки о жизни
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
Название доклада
Гибкие биологические сенсоры на основе прозрачных проводящих пленок аптамер-активированных углеродных нанотрубок
Докладчик
Бобринецкий Иван
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Основной целью выполнения проекта является разработка и исследование технологических основ формирования электрохимических биологических сенсоров на основе углеродных нанотрубок, модифицированных специфичными аптамерами, для детектирования содержания вирусов в крови (в частности вируса гепатита), обеспечивающих переходит к созданию новых видов быстродействующих и селективных диагностических систем.
Задача исследования состоит в создании и изучении функциональных характеристик экспериментальных образцов биосенсорного устройства на основе углеродных нанотрубок, со связанными аминомодифицированными специфичными аптамерами. Проведение исследований, направленных на определение селективности разработанного биосенсора к белкам – маркерам гепатита в сравнении с фоновым белком (альбумином). Проведение исследований для выявления чувствительности к минимальным концентрациям белков-маркеров гепатита в пробах как специально подготовленных в буферном растворе, так и биологического происхождении для проведения испытания in vitro при детектировании содержания белков-маркеров гепатита в пробах крови. Проведение оценки скорости отклика биосенсора при различных входных условиях: различная концентрация белка, температура пробы, динамики исследуемой жидкости. Должно быть получено предельное временное разрешение до 60 секунд. Также впервые будут проведены in vitro испытания биологического сенсора при приложенных механических воздействиях (сгибание/разгибание подложки), что позволит определить возможность использования сенсорного устройства in vivo.
Актуальность и новизна исследования
Критическим шагом при разработке электрохимических аптасенсоров является процедура иммобилизации аптамера на поверхности электрода при сохранении его биофизических характеристик и способности к связыванию. При этом ключевым параметром качества иммобилизации является минимизация количества неспецифичных адсорбций. Аптамеры обладают чётко выраженной третичной структурой и их структура определяет его функциональные свойства. С помощью моделирования можно оценить изменение структурных свойств аптамера при создании коньюгата с нанотрубками, нановолокнами и другими наноматериалами. Эти данные необходимо использовать для оптимизации структуры линкера, который будет обеспечивать соединение аптамера с нанотрубкой. Во-вторых, требуется разработка технологических основ интеграции нанопроводных элементов, модифицированных нуклеиновыми кислотами в групповые процессы микроэлектронной технологии, обеспечивающих также сохранение всех биофизических свойств, и возможность проведения измерений в жидкостных средах. В частности, большинство работ предусматривает функционализацию поверхности нанопроводных сенсоров на последнее этапе сборки электрохимического биосенсора, что ограничивает возможность контроля функционального связывания. Предлагаемая работа предусматривает использование методов полимерной электроники (создание коллоидных нанопроводных чернил, разработка методов печати чувствительного слоя на поверхности), что позволяет заранее придавать заданные свойства используемым проводниковым наноматериалов.
Описание исследования

Для формирования функциональных слоев нанотрубка-аптамер разработаны два маршрута формирования структуры с равномерными, тонкими пленками углеродных нанотрубок и структуры на одиночных нанотрубках. В первом случае  обеспечена высокая производительность метода изготовления сенсорных структур, во втором –высокая чувствительность структур. В работе проведено сравнение  данных методов с целью оптимизации параметров разрабатываемого биосенсора. Для осаждения сеток углеродных нанотрубок с необходимой плотностью произведен подбор необходимой концентрации однослойных углеродных нанотрубок. Для локализации и ориентирования сеток нанотрубок  использованы методики диэлектрофореза. Для формирования пленки требуемой плотности  подобраны параметры осаждения: амплитуда переменного напряжения, частота, время осаждения.

Для формирования конечной структуры произведена разработка литографического маршрута. Геометрия электродов выбрана с учетом оценок распределения линий поля при проведении диэлектрофореза, обеспечивающая впоследствии получение равномерной сетки нанотрубок. Разработана структура, позволяющая отследить по электрическому сигналу взаимодействия нанотрубок с внесенными молекулами, включающего в себя уже не только электрическую схему, но и покрытие углеродных нанотрубок специфичными органическими (биологическими) молекулами.

В итоге, был предложен лабораторный регламент, обеспечивающий формирование интегральных регенерируемых биологических сенсоров высокой селективности и чувствительности.

Результаты исследования

В результате работы проведены экспериментальные исследования с использованием изготовленных экспериментальных образцов биосенсора. Показана возможность одновременного измерения сигнала нескольких биосенсоров. Показана возможность измерения электрических характеристик нанотрубных плёнок при циклическом изгибании подложки.

Произведена корректировка лабораторного регламента по результатам экспериментальных исследований. Изготовлены экспериментальные образцы биосенсоров по скорректированному лабораторному регламенту, обеспечивающие возможность интеграции в различные приборы за счет использования стандартных разъёмов для гибких шлейфов. Показана стабильность электрических параметров сенсоров без экспонирования их биологическими агентами.

Проведены испытания экспериментальных образцов биосенсоров, изготовленных по скорректированному лабораторному регламенту, в соответствии с разработанной программой и методиками испытаний.

Проведены работы по формированию сенсорного чувствительного слоя и его интеграции в структуру биосенсора. Для исследования оптических, топографических и химических изменений биосенсоров при детектировании белков использована система диагностики оптических и топографических свойств поверхностных объектов Centaur HR.

Практическая значимость исследования
Основным результатом работы является разработка высокочувствительного, быстродействующего компактного сенсорного устройства, обеспечивающего определения содержания вируса гепатита в крови. При проведении соответствующей информационной работы с категориями, входящими в группу риска по данному заболеванию, направленного на проведение стимулирование интереса к оперативному анализу крови, может быть существенно уменьшен фактор заболеваемости по данной вирусной группе. В 2011 году Министерство здравоохранения и социальных служб США опубликовало План действий по предотвращению, осведомленности и лечению вирусного гепатита (COMBATING THE SILENT EPIDEMIC of VIRAL HEPATITIS - Action Plan for the Prevention, Care & Treatment
of Viral Hepatitis), согласно которому первое место в решении данной проблемы отводится совершению методов анализа и обнаружение вирусного гепатита. В совокупности с другими факторами, данный плен к 2020 году должен привести к следующим показателям:
- увеличение числа осведомленных людей об их заражении вирусом гепатита B с 33% до 66%;
- увеличение числа осведомленных людей об их заражении вирусом гепатита C с 45% до 66%;
- уменьшение на 25% числа новых заражений гепатитом С;
- полная ликвидация случаев передачи вируса гепатита B от «матери к ребенку».
Несомненно, разработка одного сенсора, обладающего всеми возможными лучшими свойствами, не может решить проблему, которое носит для России системный характер, но при соответствующей руководящей воле, применение результатов работ позволит значительно повысить соотношение первых трех параметров в виду изначального низкого старта по эпидемиологической обстановке в Российской Федерации.