Soluzione sensore verifica l'equilibrio degli elettroliti

Un chip sensore fotonico sviluppato nel progetto optION con otto canali sensore sulla piattaforma di materiale Silicio nitrato. © leto digital Leontopoulos GbR / Uno dei chip sensore fotonici sviluppati come parte del progetto optION con otto canali sensore realizzati in nitruro di silicio. © leto digital Leontopoulos GbR

Elettroliti sono fondamentali per l'equilibrio idrico e la distribuzione dei liquidi nell'organismo umano. Poiché le particelle cariche disciolte nel sangue si influenzano reciprocamente nel loro complesso equilibrio, in caso di sospetto di alterazioni viene determinata la concentrazione di vari di questi microminerali. Nel progetto optION, ricercatori dell'Istituto Fraunhofer per le Tecnologie dell'Informazione, Heinrich-Hertz-Institut, HHI, in collaborazione con partner di diverse discipline, si sono uniti per sviluppare un concetto di dispositivo che riduca significativamente la quantità di sangue necessaria per l'analisi grazie a una soluzione sensoriale fotonica e renda il processo di test decisamente più semplice per tutti i coinvolti.

Che si tratti di malattie renali, insufficienza cardiaca, intossicazione da alcol o diabete mellito – per la diagnosi medica di queste e molte altre gravi condizioni è essenziale verificare l'equilibrio elettrolitico. La loro composizione in diverse aree del corpo è accuratamente bilanciata. Se questa cambia, può avere conseguenze drammatiche: ad esempio, se la concentrazione di ioni di sodio è troppo bassa, le cellule cerebrali possono gonfiarsi e causare un coma. Gli strumenti di misurazione attualmente usati richiedono un sensore di misurazione separato per ogni elettrolita. Per poter sovrapporre tutti i sensori, è necessaria una provetta di sangue di circa 70-80 microlitri. Tuttavia, il volume di sangue prelevabile da bambini piccoli o pazienti anziani spesso non è sufficiente.

Per affrontare questa sfida, team di specialisti di medicina, fluidodinamica, chimica delle superfici, fotonica ed elettronica di Eschweiler di Kiel, Scienion AG, Charité – Universitätsmedizin Berlin e dell'HHI si sono uniti nel consorzio optION. Il loro obiettivo: esplorare e promuovere un nuovo principio di misurazione basato sulla fotonica, che consenta un'analisi precisa di quantità di sangue molto piccole. E c'era un'altra motivazione che spingeva i ricercatori: sviluppare un concetto di dispositivo che permetta agli utenti finali di testare rapidamente, facilmente e in modo confortevole diversi parametri di salute anche in aree difficili da raggiungere. »Può essere paragonato a un semplice test della glicemia«, spiega il responsabile del progetto Jakob Reck dell'HHI: »Una puntura – e la piccola goccia di sangue che fuoriesce dal dito è sufficiente per determinare immediatamente tutti i parametri rilevanti.«

Micro-cerchi sensori per la determinazione degli elettroliti

Gli esperti utilizzano risonatori a micro-cerchio come sensori fotonici. I guide d'onda integrati altamente sensibili, basati su nitruro di silicio, sono prodotti direttamente nelle camere bianche dell'HHI. I guide formano un anello in cui la luce a infrarossi vicini può interagire con se stessa e con l'ambiente circostante.

Quando un analita si deposita su questo anello, il suo indice di rifrazione effettivo e la sua risonanza ottica si spostano. »L'anello si sintonizza, come una corda di chitarra«, spiega Reck. »Quando un analita colpisce l'anello, ovvero la corda, il tono cambia. E possiamo rendere estremamente sensibili queste corde di chitarra nella fotonica – per una segnalazione e un'analisi chiarissime.«

La specifica associazione del segnale di un sensore a un elettrolita è garantita dalla funzionalizzazione della superficie del sensore: ricercatrici e ricercatori di Scienion rivestono i risonatori a cerchio con molecole di cattura speciali. Solo l'analita indirizzato può aderire a un anello secondo il principio chiave-serratura, influenzando così il campo luminoso sul guide d'onda. Questa variazione è direttamente proporzionale alla quantità di molecole depositate. Poiché anche le più piccole deviazioni nelle proprietà ottiche possono essere misurate, i professionisti sono stati in grado di rilevare anche quantità minime di sostanze con alta precisione.

Per i sensori fotonici funzionalizzati, il laboratorio di biofluidodinamica della Charité di Berlino ha sviluppato una microfluidica che guida con precisione piccole quantità di liquido ai chip. Diversi sensori a micro-cerchio con rivestimenti differenti vengono inondati con un campione. In questo modo, si può determinare la concentrazione di elettroliti con meno di 20 microlitri di volume. Successivamente, gli esperti di Eschweiler e dell'HHI hanno combinato sensori e fluidica con un'elettronica di controllo, lettura e analisi adattata, creando un prototipo funzionante, la cui efficacia è stata nuovamente testata presso l'HHI e l'Istituto di Medicina di Laboratorio, Chimica Clinica e Biochimica Patologica della Charité.

Misurazione precisa e alta flessibilità

Questi test parlano da soli: »Il nostro metodo è estremamente flessibile e molto affidabile«, afferma Reck dell'HHI. »Qualunque parametro si consideri, di solito superiamo di due ordini di grandezza la soglia di rilevamento richiesta dai test tradizionali. E le nostre possibilità sono ampie, poiché le superfici dei nostri risonatori possono essere adattate direttamente a numerosi analiti.«

Inoltre, i sensori fotonici del consorzio sono molto piccoli e consentono misurazioni sensibili di volumi minimi, oltre alla rilevazione parallela di diversi elettroliti e altri biomarcatori tramite una multiplexing di più sensori a cerchio. »Abbiamo un chip con otto risonatori a micro-cerchio, ed è grande quanto un'unghia. È possibile quindi miniaturizzare e integrare molto questo metodo«, spiega Reck. Inoltre, il sensore è progettato per acquisire dati di misurazione in tempo reale in modo rapido, ad esempio per rappresentare la cinetica superficiale durante il legame delle biomolecole.

Il dimostratore attuale della testa sensore si adatta a una scatola di scarpe e permette di realizzare un piccolo dispositivo portatile che può sostituire il banco di laboratorio e essere facilmente utilizzato sul campo. Inoltre, non necessita di alimentazione di rete, essendo alimentato a batteria, il che semplifica ulteriormente la gestione.

Soluzione interdisciplinare – ampia applicabilità

Reck considera l'interdisciplinarità come un valore aggiunto enorme del progetto e un fattore che inizialmente ha rappresentato una sfida per i membri del consorzio: »Si trattava di realizzare un concetto innovativo che rispondesse alle esigenze del mercato – con tutti gli aspetti: dai chip fotonici alla funzionalizzazione delle superfici, alla microfluidica e all'integrazione del dispositivo. Un'impresa del genere può riuscire solo con molta comunicazione e volontà di ascoltare gli altri, per capire davvero cosa serve a ciascuna disciplina.«

Il risultato del progetto di ricerca concluso nell'ottobre 2022 è molto promettente. I partner di successo stanno già pianificando progetti successivi – ci sono molte opportunità e la domanda di mercato è elevata. Così, nel 2022 è partito anche il progetto congiunto PolyChrome Berlin: mira a scoprire nuove applicazioni in sensoristica e analitica, che possano essere realizzate anche a costi contenuti. Anche in questo caso, un aspetto fondamentale è l'analisi con chip sensoriali fotonici, e anche questo progetto vede coinvolti gli esperti dell'HHI. »Qui si dimostra la vasta applicabilità della nostra soluzione, poiché in questo progetto andiamo oltre la medicina e cerchiamo di affermare i sensori nel settore delle scienze della vita, ad esempio per il rilevamento di vitamine. Un altro campo di applicazione interessante è l'analisi dell'acqua e dell'ambiente per test rapidi in corpi idrici o condotte, ad esempio per le microcistine«, rivela l'esperto dell'HHI Jakob Reck. Piccoli chip sensoriali, capaci di grandi cose, dimostreranno la loro efficacia in futuro prossimo in molteplici occasioni.