Forscher entwickeln einen Biosensor, indem sie Spinnenseide in optische Fasern verwandeln

Forscher haben sich die lichtleitenden Eigenschaften von Spinnenseide zunutze gemacht, um einen Sensor zu entwickeln, der kleine Änderungen des Brechungsindex einer biologischen Lösung, einschließlich Glukose und anderer Arten von Zuckerlösungen, erkennen und messen kann. Der neue lichtbasierte Sensor könnte eines Tages für die Messung von Blutzucker und anderen biochemischen Analyten nützlich sein.

„Glukosesensoren sind für Menschen mit Diabetes von entscheidender Bedeutung, aber diese Geräte neigen dazu, invasiv, unbequem und nicht kosteneffizient zu sein“, sagte Cheng-Yang Liu, Leiter des Forschungsteams von der National Yang Ming Chiao Tung University in Taiwan. „Da Spinnenseide wegen ihrer überlegenen optomechanischen Eigenschaften Aufmerksamkeit erregt, wollten wir die Verwendung dieses biokompatiblen Materials untersuchen, um verschiedene Zuckerkonzentrationen in Echtzeit optisch zu erkennen.“

Liu und Kollegen vom Taiwan Instrument Research Institute und der Taipei Medical University beschreiben ihren neuen Sensor in Express für biomedizinische Optik. Sie zeigen, dass es verwendet werden kann, um Konzentrationen von Fructose-, Saccharose- und Glucosezuckern basierend auf Änderungen des Brechungsindex einer Lösung zu bestimmen. Spinnenseide ist für diese Anwendung ideal, da sie nicht nur Licht wie eine optische Faser übertragen kann, sondern auch sehr stark und elastisch ist.

„Unser neuer faseroptischer Zuckersensor auf Spinnenseidenbasis ist praktisch, kompakt, biokompatibel, kostengünstig und hochempfindlich“, sagte Liu. „Mit der Weiterentwicklung könnte dies zu besseren medizinischen Überwachungsgeräten für zu Hause und Point-of-Care-Diagnose- und Testgeräten führen.“

Von der Seide zum Sensor

Für die Herstellung des Sensors haben die Forscher Spinnenseide von der in Taiwan beheimateten Riesenholzspinne Nephila pilipes geerntet. Sie umhüllten die Seide mit einem Durchmesser von nur 10 Mikrometern mit einem biokompatiblen, photohärtbaren Harz und härteten es zu einer glatten, schützenden Oberfläche aus. Dadurch entstand eine optische Faserstruktur mit einem Durchmesser von 100 Mikrometern, wobei die Spinnenseide als Kern und das Harz als Umhüllung diente. Anschließend fügten sie eine biokompatible Nanoschicht aus Gold hinzu, um die Sensorfähigkeiten der Faser zu verbessern.

Dieser Prozess bildete eine fadenartige Struktur mit zwei Enden. Um die Faser für Messungen zu verwenden, tauchten die Forscher ein Ende in eine flüssige Probe und schlossen das andere Ende an eine Lichtquelle und ein Spektrometer an. Damit konnten die Forscher den Brechungsindex der Lösung bestimmen und daraus die Art des Zuckers und seine Konzentration bestimmen.

„Der auf Spinnenseide basierende Zuckersensor ist wiederverwendbar, kostengünstig, einfach zu verwenden und bietet Echtzeiterkennung“, sagte Liu. „Da er kompakt ist, könnte er außerdem den Zugang zu schwer zugänglichen Bereichen wie Gehirn und Herz ermöglichen. Mit der weiteren Entwicklung hofft man auch, dass dieser auf Seide basierende faseroptische Zuckersensor in implantierbaren medizinischen Geräten und eingesetzt werden könnte Behandlungsstrategien in biomedizinischen Anwendungen.“

Konsistente, genaue Messwerte

Um die Wiederholbarkeit und Stabilität des Sensors über die Zeit zu testen, verwendeten die Forscher damit Lösungen mit unbekannten Konzentrationen von Fruktose, Saccharose oder Glukosezuckern bei Raumtemperatur. Die Messungen wurden jeweils 10 Mal in 5-Minuten-Intervallen wiederholt.

Um die Leistung des auf Seide basierenden faseroptischen Sensors quantitativ zu bestimmen, verglichen die Forscher die vom Sensor erzeugten Lichtintensitätsspektren mit Brechungsindexmessungen, die mit einem kommerziellen Refraktometer erfasst wurden. Der Sensor war in der Lage, sowohl die Art des Zuckers in der Lösung zu identifizieren als auch die Konzentration abzulesen.

„Die von uns erreichte Messpräzision und Messempfindlichkeit deutet darauf hin, dass der Sensor die Konzentration einer unbekannten Zuckerlösung genau abschätzen kann“, sagte Liu. „Darüber hinaus umfasst die Messempfindlichkeit für unseren vorgeschlagenen Sensor vollständig den Bereich der Zuckerkonzentrationen, die im menschlichen Blut gefunden werden.“

Bevor der Sensor für Echtzeitmessungen in einem Klinik- oder Heimgebrauchsgerät verwendet werden kann, muss seine Genauigkeit verbessert und seine Stabilität bei Umgebungsänderungen verbessert werden, damit er über längere Zeiträume verwendet werden kann.

Die Forscher arbeiten auch an einer Software, die es ermöglichen würde, den Sensor mit mobilen Geräten für Point-of-Care-Messungen zu verwenden. Sie wollen auch die Funktionalität des Sensors erweitern, damit er zur Messung verschiedener biochemischer Komponenten im menschlichen Blut wie Laktose und Fett verwendet werden kann.