La SMU et l’Université de Rhode Island ont breveté une méthode peu coûteuse et facile à utiliser pour créer des nanopores à l’état solide (SSN), tout en permettant également l’auto-nettoyage des nanopores bloqués.
La technique appelée claquage diélectrique contrôlé chimiquement (CT-CDB) s’attaque à deux problèmes clés qui ont empêché les nanopores à l’état solide, trop petits pour être vus par l’œil humain, d’être utilisés plus souvent pour construire des biocapteurs capables de mesurer les réactions biologiques et chimiques d’un échantillon donné.
Les biocapteurs ont de nombreuses applications médicales, permettant un diagnostic et une surveillance rapides, précoces et efficaces des maladies.
« Nous avons produit des nanopores qui ont largement surmonté les inconvénients hérités associés aux nanopores à l’état solide (SSN) en utilisant cette technique », a déclaré l’un des détenteurs du brevet, MinJun Kim, qui est titulaire de la chaire Robert C. Womack à la Lyle School of Engineering de la SMU et chercheur principal du BAST Lab.
Les SSN sont idéaux pour la biodétection, car ils sont moins coûteux à créer que les technologies existantes et permettent une analyse en temps réel d’un petit échantillon. De plus, les SSN fabriqués artificiellement sont plus robustes que les nanopores naturels de notre corps, ce qui les rend plus faciles à utiliser dans les nanodispositifs.
Les dispositifs SSN sont constitués d’un minuscule trou, ou nanopore, dans ce qu’on appelle une membrane, une fine feuille de matériau formant une barrière entre deux réservoirs remplis de solutions ioniques.
Lorsqu’une tension électrique est appliquée à travers la membrane, un courant ionique traverse le nanopore.
Pour en savoir plus sur une substance particulière, les chercheurs font passer un minuscule échantillon à travers le pore dans l’un des réservoirs ; chaque biomolécule enregistre alors son propre signal lorsqu’elle traverse le nanopore en raison d’un changement du champ électrique. Ces signaux de courant électrique permettent de déterminer les propriétés biologiques et chimiques de cette substance.
« Une approche rapide et simple pour fabriquer un seul nanopore consiste à utiliser la rupture diélectrique contrôlée, ou CDB, à l’échelle nanométrique », a déclaré Kim.
La rupture diélectrique se produit lorsque, après avoir été soumis à une haute tension, un matériau électriquement isolant (un diélectrique) devient soudainement conducteur, permettant au courant de le traverser. La rupture diélectrique consiste à appliquer une tension à travers une membrane isolante pour générer un champ électrique élevé, tout en surveillant le courant de fuite induit.
Le courant de fuite induit est attribué au passage d’électrons à travers des pièges ou à des défauts inhérents présents sur les membranes. Après un certain temps, les pièges chargés s’accumulent et, finalement, une rupture diélectrique de la membrane se produit, ce qui donne naissance à un seul nanopore.
Mais il existe deux problèmes récurrents avec les pores fabriqués à partir de cette approche : les dérives du courant à pores ouverts et le collage irréversible des analytes.
Les dérives du courant à pores ouverts sont des changements ou des fluctuations graduelles du courant de base qui circule à travers un nanopore lorsqu’il n’est pas obstrué. Ces dérives peuvent affecter la précision et la fiabilité des mesures prises à l’aide de nanopores à l’état solide.
L’adhérence irréversible de l’analyte se produit lorsque la substance mesurée ou analysée (l’analyte) se lie de manière permanente au nanopore, au lieu de le traverser.
Ces deux problèmes peuvent interférer avec la capacité des chercheurs à obtenir des mesures cohérentes à long terme à partir des nanopores.
Pour surmonter ces obstacles, les chercheurs de la SMU et de l’Université de Rhode Island ont développé une méthode pour modifier le CDB avec un additif chimique connu sous le nom d’hypochlorite de sodium, ou NaOCl, lors du développement de SSN avec de fines membranes de nitrure de silicium.
Les chercheurs ont découvert que l’ajout d’hypochlorite de sodium produisait des nanopores nettement moins susceptibles de se boucher que les nanopores fabriqués de manière conventionnelle et qu’ils produisaient également des pores dépourvus de dérives dans les courants à pores ouverts. Ces avantages ont réduit les temps d’arrêt entre les expériences.
« Cela a donné lieu à une chimie de surface des nanopores radicalement différente, ce qui a considérablement amélioré leurs performances », a déclaré Kim.
Kim est connu dans le monde entier pour ses contributions au développement de la nano- et de la microbiotique et de leurs vastes applications en nanomédecine. Par exemple, il a développé des dispositifs qui pourraient un jour administrer des médicaments aux tumeurs, déboucher les artères obstruées et aider les médecins à voir ce qui se passe dans les espaces les plus difficiles d’accès du corps.
Les co-inventeurs du CT-CDB sont Nuwan Bandara et Buddini Karawdeniya, professeurs adjoints au département de chimie et de biochimie de l’université d’État de l’Ohio ; Jugal Saharia, professeur adjoint de génie mécanique au département d’ingénierie de l’université de Houston-Clear Lake ; et Jason Dwyer, professeur de chimie à l’université de Rhode Island.
Bandara et Karawdeniya sont d’anciens chercheurs postdoctoraux de la SMU travaillant au laboratoire BAST, tandis que Saharia est une ancienne doctorante de Kim.
Plus d’information:
L’Office américain des brevets et des marques a plus d’informations sur le brevet, publié le 14 mai. ici.