Graphene es el primer cristal verdaderamente bidimensional, que se obtuvo experimentalmente e investigó con respecto a sus propiedades químicas y físicas únicas. En 2010, dos ex alumnos de MIPT, Andre Geim y Konstantin Novoselov recibieron el Premio Nobel de Física "por su innovaciónexperimentos con respecto al material bidimensional del grafeno ". Ahora ha habido un aumento considerable en el número de estudios de investigación destinados a encontrar aplicaciones comerciales para el grafeno y otros materiales bidimensionales. Se cree que una de las aplicaciones más prometedoras para el grafeno es la biomédica.tecnologías, que es lo que los investigadores del Laboratorio de Nanoóptica y Plasmónica en el Centro de Excelencia de MIPT para Optoelectrónica a nanoescala están investigando actualmente.
Los biosensores sin etiquetas son relativamente nuevos en los laboratorios bioquímicos y farmacéuticos, y han facilitado el trabajo. Los sensores permiten a los investigadores detectar bajas concentraciones de sustancias moleculares biológicamente significativas ARN, ADN, proteínas, incluidos anticuerpos y antígenos, virus y bacterias y estudiar sus propiedades químicas.A diferencia de otros métodos bioquímicos, no se necesitan etiquetas fluorescentes o radiactivas para estos biosensores, lo que facilita la realización de un experimento y también reduce la probabilidad de datos erróneos debido a los efectos que las etiquetas tienen en las reacciones bioquímicasLas principales aplicaciones de esta tecnología están en la investigación farmacéutica y científica, el diagnóstico médico, el control de calidad de los alimentos y la detección de toxinas. Los biosensores sin etiquetas ya han demostrado ser un método para obtener los datos más confiables sobre farmacocinética y farmacodinámica de medicamentos enestudios preclínicos. Las ventajas de este método se explican por el fact que la cinética de las reacciones bioquímicas del ligando sustancia activa con diferentes objetivos se puede observar en tiempo real, lo que permite a los investigadores obtener datos más precisos sobre las velocidades de reacción, lo que antes no era posible.Los datos obtenidos brindan información sobre la eficacia de un medicamento y también su toxicidad, si los objetivos son células "sanas" o sus partes, que el medicamento, idealmente, no debería afectar.
La mayoría de los biosensores sin etiqueta se basan en el uso de la espectroscopía de resonancia de plasmón superficial SPR. Los parámetros de "resonancia" dependen de las propiedades de la superficie hasta el punto de que incluso pequeñas cantidades de sustancias "extrañas" pueden afectarlos significativamente. Biosensoresson capaces de detectar una billonésima parte de un gramo de una sustancia detectable en un área de un milímetro cuadrado.
Los dispositivos comerciales de este tipo se venden en un formato similar al modelo comercial de "cuchilla de afeitar", que incluye un instrumento y consumibles muy caros. El instrumento es el biosensor en sí, que comprende óptica, microfluídica y electrónica. Los consumibles para biosensores son sensoreschips compuestos por un sustrato de vidrio, una delgada película de oro y una capa de enlace para la adsorción de biomoléculas. Actualmente, los chips sensores utilizan dos tipos de tecnología de capa de enlace que se desarrollaron hace más de 20 años y se basan en una capa de tiol autoensambladomoléculas o una capa de hidrogel generalmente carboximetil dextrano. El beneficio que las empresas han recibido de la venta de biosensores y consumibles se distribuye de manera uniforme en una proporción de 50:50.
Los autores de la patente, Aleksey Arsenin y Yury Stebunov, están proponiendo una alternativa a los chips sensores existentes para biosensores basados en la resonancia de plasmones superficiales. Bajo ciertas condiciones, el uso de grafeno u óxido de grafeno como una capa de unión entre la película de metal y unLa capa biológica compuesta por dianas moleculares puede mejorar significativamente la sensibilidad de la biodetección. Los chips sensores de grafeno se probaron en los biosensores Biacore ™ T200 General Electric Company y BiOptix 104sa.
El uso de chips sensores de óxido de grafeno para analizar reacciones de hibridación de ADN se describe en detalle en un artículo reciente de los autores en la revista de la American Chemical Society Materiales aplicados e interfaces ACS . Además de un mayor nivel de sensibilidad que productos comerciales similares, los chips sensores propuestos poseen la propiedad requerida de bioespecificidad y se pueden usar varias veces, lo que reduce en gran medida los costos de realizar estudios bioquímicos utilizando los chips.
El uso de grafeno aumenta la sensibilidad de los análisis realizados mediante espectroscopía SPR más de diez veces, lo que revolucionará el campo de la biodetección farmacéutica. La aplicación de biosensores se limita actualmente al análisis de productos biológicos basados en moléculas grandes, mientras que más de la mitad delos medicamentos producidos cada año tienen un peso molecular bajo no más de unos pocos cientos de Daltons. La inmovilización de objetivos de medicamentos en la superficie de un chip de grafeno permitirá a los científicos probar la interacción entre objetivos y moléculas pequeñas. Un ejemplo de esto podría serEl desarrollo de fármacos que actúan sobre los receptores junto con las proteínas G GPCR, que actualmente son el objetivo del 40% de los fármacos en el mercado. Los estudios farmacéuticos de fármacos que actúan sobre GPCR no se realizan actualmente utilizando SPR debido a la sensibilidad insuficiente dePor lo tanto, se espera que el uso de biosensores de grafeno en estudios farmacéuticos ayude a acelerar el desarrollo de dalfombras y superar enfermedades peligrosas que no pueden ser tratadas con las drogas actualmente en el mercado farmacéutico.
Los autores continúan trabajando para mejorar su desarrollo y esperan que, para ciertas reacciones, los chips biosensor basados en los nuevos materiales de carbono proporcionen un nivel de sensibilidad que sea docenas o cientos de veces mayor que los productos comerciales similares actualmente en el mercado.También están considerando la posibilidad de comercializar chips de grafeno. Solo en 2014, se gastaron aproximadamente 10 mil millones de dólares estadounidenses en estudios preclínicos. Según las estimaciones, el mercado anual de chips biosensores vale un total de aproximadamente 300 millones de dólares estadounidenses.Las excelentes propiedades de los chips biosensores de grafeno les permitirán competir fuertemente con los tipos de chips existentes, hasta un tercio de todo el mercado.
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Materiales proporcionados por Instituto de Física y Tecnología de Moscú . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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