Veijo Hänninen

Nanoelektroniikkaa lääketieteelle

Lääketiede tulee hyötymään nanomateriaaleista ja nanoelektroniikasta monella tavalla.

Tutkijat ovat kehitelleet muun muassa uudenlaisia antureita, sulavaa elektroniikkaa, yhteydenpitoa kehoon sekä lääketiedettä palvelevaa tekoälyä.

Nanoelektroniikka palvelee lääketiedettä tulevaisuudessa entistä herkemmillä, halvemmilla ja monipuolisimmilla antureilla.

Hiilinanoputkista alkaen

Massachusetts Institute of Technologyn (MIT) vuonna 2013 kehittämä anturi mahdollistaa pitkän aikavälin seurannan. Hiilinanoputket, jotka tunnistavat typpioksidia voidaan sijoittaa ihon alle yli vuoden ajaksi. Typpioksidi (NO) on yksi tärkeimmistä signalointimolekyylejä elävissä soluissa, sillä se kuljettaa viestejä aivoissa ja koordinoi immuunijärjestelmän toimintoja.

Monista soluista tiedetään hyvin vähän siitä, miten NO käyttäytyy sekä terveissä että esimerkiksi syöpäsoluissa. Tällainen pitkäaikainen anturi tarjoaa työkalun mitata tärkeitä molekyylien toimintoja pitkään ja reaaliaikaisesti.

Ultraherkkä biosensori

Vuonna 2014 UC Santa Barbaran tutkijat kehittivät erittäin herkän bioanturin molybdeenidisulfidiseen kanavatransistoriin (fet) perustuen. Molybdeenidisulfidin (MoS2) käyttö biosensorissa ylittää vastaavassa tarkoituksessa grafeenin herkkyydessä sekä tarjoaa paremmat mahdollisuudet massavalmistukselle.

Tutkijoiden mukaan tämä keksintö luo perustan uudenlaisille ultraherkille ja edullisille biosensoreille, jotka voivat lopulta mahdollistaa yksittäisen molekyylin tunnistuksen, joka on Graalin malja diagnostiikan ja biotekniikan tutkimuksessa.

Orgaaninen happianturi

UC Berkeley insinöörit ovat luoneet pulssioksimetrin anturin, joka koostuu täysin luonnonmukaisesta optoelektroniikasta. Punaisen ja vihreän valodiodin säteilemä valo havaitaan kolmannella orgaanisella valodiodilla. Laite mittaa valtimon happisaturaation ja sydämen sykkeen yhtä tarkasti kuin tavanomaiset, piipohjaiset pulssioksimetrit.

Orgaaninen elektroniikka voi johtaa niin halpoihin anturiratkaisuihin, että ne ovat kertakäyttöisiä. Tulevaisuudessa myös kuntoilija saattaa lisätä veren happipitoisuuden elintoimintojen mittauksiinsa.

Analyyttien ja markkereiden avulla

North Carolina State Universityn tutkijat ovat löytäneet tavan sitoa peptidejä galliumnitridin (GaN) pintaan tavalla, joka pitää peptidit vakaana myös niiden altistuessa vedelle ja säteilylle.

Löytö vie tutkijat askeleen lähemmäksi uudenlaisia bioantureita käytettäväksi lääketieteen ja biologian tutkimuksiin. Aiemmissa tutkimuksissa galliumnitridin on havaittu olevan biologisesti yhteensopiva materiaali.

GaN fluoresoi kun se altistetaan säteilylle ja tätä ominaisuutta hyödyntäen voisi tehdä bioantureita, jotka aistivat tiettyjä molekyylejä eli analyyttejä biologisessa ympäristössä.

Stanfordin yliopistossa on tutkittu miten kasvainsolujen (vihreä) lentoratoja voidaan esittää kun ne on värjätty fluoresoivilla väreillä ja merkitty magneettisilla nanopartikkeleilla.

"Uuden magneettisen teknologian ja uusien biomarkkereiden avulla voimme kertoa, jos eturauhasen syöpä on laiska tai aggressiivinen", toteaa tutkimusta vetänyt Shan Wang ja lisää," markkinoilla ei ole testiä joilla sen voi tehdä nyt. Siten se on mahdollisesti Graalin syöpädiagnostiikassa."

Flunssan nopeasti tunnistava bioanturi

Viime vuonna Hong Kong Polytechnic Universityn (PolyU) tutkijat kertoivat kehittäneensä nopean nanoteknisen bioanturin flunssan ja muiden viruksien havaitsemiseen.

Kun anturia valaistaan lähi-infrapunan laserilla, voidaan helposti määrittää kohteena olevan influenssaviruksen pitoisuus. Keksintö hyödyntää optista ylösmuuntavan luminesenssin resonanssienergian siirron (LRET) prosessia.

Tämä virusten ilmaisutapa lyhentää testauksen kestoaikaa noin 1-3 päivästä 2-3 tuntiin. Myös sen kustannukset ovat noin 80 prosenttia pienempiä kuin perinteisillä testausmenetelmillä.

Analyysi hengityksestä

Useiden vuosien ajan tutkijat ovat kehittäneet analyyttisiä välineitä, jotka pystyvät tarkasti diagnosoimaan eri sairauksia arvioimalla henkilön hengitystä – menetelmä, jota lääkärit käyttivät ennen nykyaikaista laboratoriotekniikoita.

Joukko tutkijoita väittävät, että he ovat todenneet ainutlaatuinen "hengityksen jäljen 17 yksittäisestä sairaudesta ja rakentaneet kultaisista nanopartikkeleista ja yksiseinämisistä hiilinanoputkista kootun laitteen luokittelemaan ja diagnosoimaan niitä.

Uloshengitysilman sisältää enimmäkseen typpeä, hiilidioksidia, happea ja pieniä määriä yli sataa muuta haihtuvia alkuaineita. Hengitysilmaa analysoimalla ja tekoälyyn tukeutuen se haistelee 17 eri sairautta.

Texasin yliopiston tutkijat ovat puolestaan kehittäneet edullista elektronista nenää, jota voidaan käyttää hengityksen analyysiin monenlaisissa terveyden diagnooseissa.

Tutkijat uskovat, että integroitujen CMOS-piirien teknologiaa käyttämällä, sähköisestä nenästä voidaan tehdä niin edullinen, että hengitysanalysaattoreista voi tulla jopa kotikäyttöön sopivia laitteita.

Havaita yksittäisiä proteiinimolekyylejä

Tammikuussa 2017 MIT:n insinöörit kertoivat suunnitelleensa antureita, jotka havaitsevat yksittäisien proteiinien molekyylejä.

Anturit, jotka koostuvat kemiallisesti muunnelluista hiilinanoputkista, voisi auttaa tutkijoita minkä tahansa sovelluksen kanssa, joka vaatii havaita hyvin pieniä määriä proteiinia, kuten seuranta virusinfektiota, seurata solujen hyödyllisien proteiinien valmistusta tai paljastaa ruoan saastumisen, tutkijat sanovat.

Nanoputket muutetaan antureiksi päällystämällä niitä DNA:lla, proteiineilla tai muilla molekyyleillä, jotka voivat sitoutua tiettyyn haluttuun kohteeseen. Kun kohde on sitoutunut, nanoputkien laserilla tuotettu fluoresenssi muuttuu mitattavissa olevalla tavalla.

Monitoiminen grafeeni bioanturi

Grafeenilla on poikkeuksellisen korkea kemiallinen herkkyys, ja se on noussut lupaavaksi nanomateriaalialustaksi moniin mahdollisiin sovelluksiin kaasun, kemian, molekyylien ja tarttuvien tautien antureina.

Wayne State Universityn tutkijat ovat osoittaneet, että grafeeninen fet-transistori voi tarjota radiotaajuusmodulaatiota, kemiallista tunnistusta ja muistitoimintoja samassa komponentissa. Kun tähän lisätään grafeeninen antenni siitä voisi kehittää Internet-of-Things –sovelluksiin sopivan anturin.

Näin monitoiminen langaton anturi voisi tehdä terveydenhuollolle helpommaksi seurata eri biolääketieteellisen tapahtumia.

Toisaalla intialainen tutkijaporukka havainnut, että radiotaajuinen ionisoimaton säteily voi muuttua grafeenissa lämmöksi ja sitä voisi siten käyttää vaikkapa syöpäsolujen tuhoamiseen.

Antureita kehossa tai keho anturissa

Viime vuonna University of California Berkeleyn insinöörit rakensivat ensimmäiset pölyn kokoiset langattomat anturit. Tarkoitus on istuttaa niitä joskus elimistöön seuraamaan kehon sisäisiä hermoja, lihaksia tai muita elimiä reaaliajassa.

Koska näitä paristottomia antureita voitaisiin käyttää myös stimuloimaan hermoja ja lihaksia, teknologia avaa myös oven "sähköisille" sairauksien hoidolle, kuten epilepsia tai immuunijärjestelmän stimulointi ja tulehduksen vaimentaminen.

Tämä ns. hermopöly, jollaista ryhmä istutti rottien lihaksiin ja ääreishermoihin, käyttää ultraääntä sekä tehonsiirtoon että mittauksien luentaan. Ultraäänitekniikka on jo tuttua sairaalakäytössä ja sen värinä voi tunkeutua lähes mihin tahansa kehossa, toisin kuin radioaallot.

Ihmiskehon anturointi voidaan tehdä myös toisin päin. Tehdään laboratoriosiru, johon istutetaan jotain ihmiskehon elementtejä. Ensimmäiset tällaiset elin-on-chip sirut tehtiin eläinkokeiden korvaajaksi uusia lääkkeitä ja myrkkyjä testattaessa.

Nykyään ryhmä tiedemiehiä ja insinöörejä Lawrence Livermore National Laboratoryssä kehittävät kokonaista "ihminen-on-a-chip" järjestelmää, jossa on ihmiskehon ulkoinen replikointi.

Uusin Stanfordin yliopiston kehittämä lab-on-a-chip -järjestelmä toteutetaan kolmiulotteisella tulostustekniikalla jolloin sen hinnaksi tulee muutamia senttejä. Tutkijoiden mukaan teknologia voisi käynnistää lääketieteellisen diagnostiikan vallankumouksen samaan tapaan, jonka toi edullinen genomikartoitus.

Tehonsiirtoa kehoon

Erilaiset kehoon istutettavat laitteet tarvitsevat myös käyttöenergiaa. Terveydehuollossa paljon käytetty ultraääni ja vastaanottajana pietsosähköisyys ovat jo hyväksi havaittu menettely.

Bioelektroniikan parissa kaivataan myös tekniikkaa, joka voi tarjota sähköisiä impulsseja, joilla tarkasti moduloida kehon hermopiirejä.

Kiinalaiset tutkijat ehdottavat lähi-infrapunavaloon perustuvaa virran tuottoa. NIR impulssit, jotka voivat imeytyä laitteeseen, aiheuttaa lämpötilan vaihtelua, mikä tuottaa jännite/virta pulsseja, jota voidaan käyttää akun lataamiseksi tai biologisiin ärsykkeisiin.

Lähi-infrapuna-valo, jonka aallonpituus on 760-1500 nm - tunnettu lämmitys- ja lääketieteellisen fysioterapia vaikutukset - tarjoaa vaihtoehtoisen langaton voima, joka voi tunkeutua ihmisen kudokseen asti syvyyteen 4-10 cm.

Vastaanottimena on pyrosähköinen rakenne oly(vinylideenidifluoridin) (PVDF) ja sen molemmin puolin olevat grafeenikerrokset.

Sulavaa elektroniikkaa

Elektroniset laitteet, jotka liukenevat täydellisesti veteen, jättäen jälkeensä vain harmittomia lopputuotteita, ovat osa nopeasti kehittyvä luokka materiaaleja joilla on myös lääketieteellisiä sovelluksia.

Onpa jopa kehitetty kehossa sulavia paristoja. Esimerkiksi Garnegie Mellon Universityn kehittämä melaniiniin perustuva paristo tuottaa 10 milliwattia tehoa 10-20 tunnin ajan. Melaniini on pigmentti, jota on ihmisen ihossa, hiuksissa ja silmissä.

Keinotekoiset mikromoottorit, jotka toimivat paikallisilla polttoaineilla ja suorittavat monimutkaisia tehtäviä tarjoavat myös runsaasti mahdollisuuksia erilaisiin biolääketieteen sovelluksiin.

University of California, San Diegon tutkijat ovat tutkineet mikromoottorin käyttöä elävässä organismissa hiirikokeilla. Tällainen in vivo (kehon sisässä) toimiva laite voi toimittaa rahtia tai olla itse osa tavoiteltua toimintaa.

Käyttämällä sinkkiin perustuvia mikromoottoreita he ovat osoittaneet, että happo-ajettu käyttövoima mahassa tehokkaasti sitoo ja säilyttää moottorin sekä hyötykuorman vatsan seinämään. Moottorin runko vähitellen liukenee mahahappoon, ja siten vapauttaen hyötykuormaa jättämättä myrkyllisiä jäänteitä jälkeensä.

Ledit simuloivat aivoja

University of Illinois at Urbana-Champaignin ja Washington Universityn tutkijat ovat kehittäneet ultraohuen ja joustavan optoelektroniikan laitteen - kuten ledin, joka yksittäisten neuronien kokoa. Se injektoidaan syvälle aivoihin valaisemaan neurotieteen mysteereitä.

Koko laitealusta sisältää ledin, lämpötilan ja valon anturit, mikrotason lämmittimet ja elektrodit, jotka voivat sekä stimuloida että tallentaa sähköistä aktiviteettia. Nämä komponentit mahdollistavat monia tärkeitä tehtäviä - esimerkiksi tutkijat voivat mitata sähköistä toimintaa, joka johtuu valon stimulaatiosta, antaen lisätietoa monimutkaisia hermopiireistä ja vuorovaikutuksista aivoissa.

Stanfordin insinöörit ovat puolestaan kehittäneen valoa lähettävän anturin, jonka voi injektoida yksittäisiin soluihin. Tällaiset valoperustaiset laitteet - laserit ja ledit - avaavat uusia mahdollisuuksia tutkia eläviä soluja.

Kemiaa ja EKG:tä

University of California San Diegon insinöörit ovat kehittäneet äskettäin ensimmäisen joustavan puettavan laitteen, joka seuraa jatkuvasti sekä biokemiallista että sähköistä signaalia ihmiskehossa. Chem-Phys patch kirjaa elektrokardiogrammilla (EKG) sydämen signaaleja sekä seuraa laktaattitasoja, joka on biokemiallinen merkkiaine fyysisestä ponnistuksesta, reaaliajassa.

Laite voidaan laastaroida rintaa ja se kommunikoi langattomasti älypuhelimen, älykellon tai kannettavan tietokoneen kanssa. Se avulla esimerkiksi urheilijat voivat seurata liikuntaansa ja lääkärit potilaiden sydänsairauksien seurannassa.

"Yhtenä tutkimuksemme päämäärinä on rakentaa puettava tricorderin kaltainen laite, jolla voidaan mitata samanaikaisesti koko sarjaa kemiallisia, fyysisiä ja sähköfysiologisia signaaleja jatkuvasti koko päivän", toteaa tutkimuksen elektroniikkaan liittyvää osaa johtanut Patric Mercier. "Tämä tutkimus on tärkeä ensimmäinen askel osoittamaan, että tämä voi olla mahdollista."

Useimmat kaupalliset puettavat mittaavat ainoastaan yhtä signaalia, kuten sykettä mutta mikään niistä ei mittaa kemiallisia signaaleja, kuten laktaattia.

Implantoitava radio

Pienin implantoitava elektroniikka on yleensä passiivisia. Siltä puuttuu laskentatehoa ja kykyä aktiivisesti lähettää signaaleja.

Vaikeinta ei ole kutistaa prosessoria vaan radiota toteavat Michiganin yliopiston aihetta tutkineet inssit. He ovat kehittäneet prototyypin radiosta, jonka mitat 1 x 1 x 10 millimetriä. Se voi lähettää vahvan radiosignaalin 50 senttimetrin päähän, muun muassa kolmen senttimetrisen kudoksen läpi.

Koska kehoon sijoitettavan laitteen tulee olla pieni. Miten sellaisen lähetystehon saa yltämään kehosta ulos. Michiganin ryhmä kiersi tämän ongelman suunnittelemalla lähetysantennin sekä ulkoisen vastaanottoantennin toisiinsa sopiviksi.

Toinen vaatimus on virtalähde, jonka pitäisi antamaan tehoa nopealle signaalipurskeelle. Michigan ryhmä laittoi akun kaveriksi superkondensaattorin joka ajan mittaan kokoaa tarpeeksi energiaa nopeaan tehopurskeeseen, jonka se nopeasti dumppaa antenniin.

Akkua voidaan ladata aurinkokennolla, joka on herkkä infrapunalle, joka kulkee kehon läpi. Lopullisena tavoitteena on tietotekniset laitteet, jotka voidaan injektoida kehoon ruiskun kautta.

Koko kehon skanneri

Lawrence Berkeley National Laboratoryssä (Berkeley Lab) on ryhdytty rakentamaan koko kehon positroniemissiotomografian (PET) skanneria. Se on lääketieteellinen kuvantamislaite, joka voisi muuttaa tapaa jolla syövät ja muut taudit diagnosoidaan ja käsitellään.

Nykyisillä PET-laitteilla voi skannata vain 20 senttimetrin segmenttejä kerrallaan. Lisäksi kokokehon PET-skanneri vähentäisi potilaan säteilyannoksen kertoimella 40 tai vähentää skannauksen aikaa 20 minuutista 30 sekuntiin.

Berkeley Labin osuus on kehittää elektroniikka, joka siirtää skannerin ilmaisimista kerätyn informaation tietokoneeseen, joka muuntaa tiedot kolmiulotteiseksi kuvaksi potilaasta.

PET skannerit perustuva gammasäteilyn havaitsemiseen ilmaisimilla vastakkaisilla puolilla kehoa. Aikaeroa havaita kahta gammasädettä käytetään määrittämään positronin sijaintia, ja se ilmaisee, missä merkkiaine kertyy elimistöön.

Jotta tämä toimisi, sähköisellä instrumentoinnilla on oltava aikaresoluutio noin 300 pikosekuntia. Tämä ja puoli miljoonaa ilmaisinta tarkoittaa melkoisia haasteita, jotka liittyvät toistettavuuteen ja vakauteen toteavat tutkijat.

Maaliskuu 2017