COVID-19 のような呼吸器感染症の検出に対する生体電子マスクの有効性は?

Study: Wearable bioelectronic masks for wireless detection of respiratory infectious diseases by gaseous media. Image Credit: CROCOTHERY/Shutterstock


Matter ジャーナルに掲載された最近の研究で、研究者は生体電子マスクを使用した呼吸器感染症の検出を実証しました。

研究: 気体媒体による呼吸器感染症のワイヤレス検出用のウェアラブル バイオエレクトロニック マスク。 画像著作権: CROCOTHERY/Shutterstock

呼吸器ウイルスは、人から人への感染の潜伏期間中、飛沫またはエアロゾルを介して空気中を循環し続ける可能性があります。 研究によると、1回の咳、くしゃみ、または数分間の会話でさえ、感染性ウイルスを含む数千の飛沫が生成され、感染媒体として空気中に長期間留まる可能性があります. その結果、重症急性呼吸器症候群コロナウイルス 2 (SARS-CoV-2) 感染症のような深刻な感染症を早期に診断するための最も有望な方法は、空気中のウイルスを直接検出することである可能性があります。 空気中の媒体の直接検査は、感染性呼吸器疾患を診断するための十分に活用されていないアプローチです。

生体電子マスクの概要

本研究では、研究者は、呼吸器感染症を検出するために、イオン ゲート トランジスタ (IGT) と統合されたウェアラブル バイオエレクトロニック マスク デバイスを開発しました。

マスクの外側に配置された生体電子ガジェットは、人が着用している間、空気中の伝染性ウイルスを即座に評価できます。 ワイヤレス データ フィードバックは、モバイル デバイス上で同時にリアルタイムで取得することもできます。 呼吸バルブ、プリント回路基板 (PCB)、およびチャネル材料としてポリ (2,3-ジヒドロチエノ-1,4-ジオキシン)-ポリ(スチレンスルホン酸) (PEDOT:PSS) を有する IGT デバイスは、すべてバイオエレクトロニクスに含まれています。マスク。 菱面体ポリビニル アルコール (PVA) イオン液体 (PVA-IL) イオン ゲルを使用して、電極上に 3 チャネル重合 IL-IGT (PIL-IGT) をパターン化しました。 この装置は、薄く柔軟なポリエチレン テレフタレート (PET) 基板から構成されているため、フェイスマスクの曲げ面に適していました。 さらに、PIL 検出 IGT のポートをカバーし、損傷やほこりの混入を防ぐために、取り外し可能な呼吸弁が提供されました。

PIL-IGTの製作、運用原理、性能

イオン性ゲルの主成分として、生体適合性の高いPVAが使用されました。 イオンゲルに1-エチル-3-メチルイミダゾールビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(EMIM:TFSI)、通称PVA-ILを添加することでイオン伝導度を高めました。 水とジメチルスルホキシド(DMSO)からなる二重溶媒系を分散媒として使用して、PVA中の親油性EMIM:TFSIの分散性を改善しました。

3 次元 (3 D) 印刷を採用して、3 つの異なる PIL-IGT チャネルで PAV-IL イオンゲルのデザインを作成しました。 さらに、トランジスタの製造は、PVA-IL イオンゲルの印刷可能な特性によって簡素化されました。 プログラム可能な印刷と均質な PVA-IL イオンゲルを使用して大規模な PIL-IGT を作成できるため、デバイスのばらつきを最小限に抑えることができます。 さらに、定点印刷により、PVA-IL イオンゲルの適用範囲を慎重に調整することができました。

正電圧がゲート電極に接続されると、正イオンはイオンゲル/PEDOT:PSSチャネル層に向かって移動して電気二重層(EDL)を形成しますが、PVA-ILイオンゲル内の負イオンは移動して上に蓄積します。イオンゲル/ゲート電極インターフェース。 PEDOT:PSS は、そのイオン伝導性により、PVA-IL イオンゲルに注入して、部分的な陽イオンをドープすることができます。 正イオンドーピングは、反応を促進して正方向に進行させる。 活性層の導電性本体 (PEDOT-) は、負に帯電したグループ (PSS-) をめぐる競合の結果、中性 (PEDOT0) に戻り、電流電極とソース間に流れる電流の減少として現れました。電極。

出力曲線のソース – ドレイン電流 (Ids) は、ゲート – ソース間電圧 (Vgs) が 0.2 V のステップで上昇するにつれて減少し、PVA-IL イオン ゲルにさらされたときのゲート電圧の顕著なゲーティング効果を示しています。 チャネル材料と PVA-IL イオン ゲルとの間の重要なオーム接触も、ソース – ドレイン電流とソース – ドレイン電圧の間の関係曲線によって実証されました。 これは、成形前のイオン性ゲルの流動性と成形後の柔軟性に起因する可能性があります。

微量液体中のターゲットの検出

タンパク質標的は、生物学的プローブとして多くのアプタマーを固定化することにより、PIL-IGT を使用して調べられました。 温度、pH、および化学的条件に対するアプタマーの固有の適応性が、この研究で考慮されました。

普遍的な検出プラットフォームとしての PIL-IGT の応答性は、SARS-CoV-2、H1N1、および H5N1 を含む呼吸器感染症タンパク質を使用して評価されました。 SARS-CoV-2 スパイクタンパク質の量が 0.1 fg/mL から 10 ng/mL に増加するにつれて、PIL-IGT の伝達曲線が低いゲート電圧レベルへの識別可能なシフトを示すことが発見されました。 タンパク質標的に結合した後、アプタマーは立体構造の再編成を受けました。 これにより、ゲート回路の実効ゲート電圧、およびゲート電極上の表面電荷の分布と濃度が変化しました。

気体媒体中のターゲットの検出

オープン環境でのエアロゾルの拡散を模倣するために、アトマイザーが使用されました。 アトマイザーは、空気中の液滴のサイズとほぼ同じ大きさの 3 ~ 5 mm の噴霧ガスを生成しました。 PIL-IGT が噴霧ガス中の SARS-CoV-2 スパイクタンパク質にさらされたときに観察されたゲート電圧の変動は、微量液体サンプルの検出で観察されたものと一致していました。 H1N1 および H5N1 タンパク質を含む霧化ガスについて述べたのと同様に、PIL-IGT も同様にゲート電圧の勾配降下を示し、霧化ガスでターゲットをテストする能力を示しました。

要約すると、この研究では、誘電体層としてイオンゲルを有するIGTに基づくウェアラブルバイオエレクトロニックマスクデバイスの特性について説明しました。



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