Pruebas rápidas y precisas con papel de grafeno inteligente
La gama potencial de aplicaciones abarca prácticamente todos los análisis químicos, biológicos y médicos que pueden realizarse en soluciones acuosas
Un equipo dirigido por los ingenieros químicos de la ETH de Zúrich Chih-Jen Shih y Andrew deMello ha desarrollado un sistema de análisis rápido hecho de papel de grafeno inteligente. Sólo cuesta unos céntimos por tira reactiva, es fácil de usar y tan preciso como las mediciones de laboratorio. Este método no sólo servirá para controlar enfermedades.
Imagen simbólica
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Las pruebas rápidas de embarazo y COVID-19 tienen una gran ventaja sobre otros análisis médicos: son tan sencillas que cualquiera puede realizarlas por sí mismo, prácticamente en cualquier lugar. Esto se debe al sólido principio que subyace a estos métodos microfluídicos, según el cual las soluciones acuosas se difunden a través de una tira reactiva de papel con la ayuda de fuerzas capilares. Durante este proceso, los anticuerpos capturan las sustancias diana, como partículas de virus u hormonas del embarazo, y las concentran en el lugar deseado. A continuación, un sistema de tinción hace visible lentamente la sustancia diana cada vez más concentrada en forma de franja.
Por sencillo y fiable que sea este principio básico, la evaluación visual de los resultados puede resultar difícil. La cuestión de si realmente podemos ver una raya o si sólo nos la estamos imaginando probablemente ha estado en la mente de todos nosotros al menos una vez desde el estallido de la pandemia COVID-19.
Aquí es exactamente donde entra en juego el invento del equipo de la ETH. Han encontrado una forma de formar electrodos conductores directamente dentro del papel de las tiras reactivas. Al captar la sustancia objetivo, se activa una señal electrónica. Esto hace que las mediciones sean mucho más rápidas, sensibles y precisas.
Mejorar la tecnología del papel de bajo coste
Chih-Jen Shih y Andrew deMello comparten una pasión: "Nuestro mayor incentivo es mejorar los experimentos químicos y biológicos básicos de forma que creen nuevas oportunidades científicas". Esto es exactamente lo que sus grupos de investigación han conseguido hacer ahora con las pruebas rápidas. Los investigadores combinan la microfluídica en papel, sencilla y rentable, con la sensibilidad y precisión de las técnicas de medición electrónicas para crear multitud de aplicaciones analíticas. Desde la posibilidad de que los propios pacientes controlen los biomarcadores sanguíneos, pasando por la toma de muestras de tierra, aire y agua sobre el terreno, hasta el análisis de enfermedades en lugares remotos del mundo en cuestión de minutos, el abanico potencial de aplicaciones abarca prácticamente todos los análisis químicos, biológicos y médicos que pueden realizarse en soluciones acuosas.
La clave está en la combinación de capacidades
Los intentos anteriores de equipar la química del papel de bajo coste con electrodos de detección se han visto obstaculizados por una propiedad fundamental de los materiales conductores: en principio, los conductores eléctricos apenas interactúan con el agua y actúan como barrera cuando se trata del flujo de mezclas de muestra y reacción en una tira de papel. Superar este obstáculo y desarrollar la tecnología hasta convertirla en un proceso fiable que también funcione en las zonas menos desarrolladas del mundo exigió una combinación de capacidades, afirma deMello. Para la nueva prueba rápida, los investigadores de la ETH aunaron sus conocimientos. El grupo de Shih aportó los conocimientos técnicos para generar conductividad directamente en el papel, mientras que el grupo de deMello puso sobre la mesa sus conocimientos sobre sistemas microfluídicos.
Un láser descompone la celulosa en carbono puro
La base de este invento es el uso de un láser para convertir los polímeros de azúcar que componen la celulosa del papel en grafeno. Esta forma especial de carbono es conductora y se considera un material electrónico del futuro.
Durante la conversión láser, las moléculas de celulosa se descomponen en sus elementos, carbono, oxígeno e hidrógeno, en un proceso comparable a la caramelización del azúcar doméstico. Sin embargo, mientras que al calentar el azúcar en una sartén durante mucho tiempo sólo queda carbono ordinario, que no conduce la corriente eléctrica, los científicos de la ETH de Zúrich consiguieron utilizar el láser para reorganizar los átomos de carbono de la celulosa y convertirlos en grafeno conductor.
La diferencia está en el ajuste de la energía del láser
Sin embargo, producir grafeno en papel de celulosa por sí solo no sería suficiente, ya que, como prácticamente todos los demás materiales conductores, este material milagroso es hidrófobo: repele el agua, lo que significa que el agua no puede fluir a través de él. Sin embargo, mediante un ajuste inteligente de la energía láser, los investigadores pueden controlar la descomposición de la celulosa en grafeno de forma que no sólo se conserva la porosidad original de la celulosa, sino que los grupos de oxígeno individuales de la celulosa permanecen intactos en la superficie de las áreas de grafeno.
Estos grupos de oxígeno pueden interactuar con moléculas de agua y garantizar así la humectabilidad de los electrodos, prácticamente a la par que el resto del papel. Además, las moléculas informadoras también pueden unirse químicamente a estos grupos de oxígeno. De este modo, se genera una señal electrónica en cuanto una partícula de virus interactúa con un anticuerpo de detección en el electrodo.
Convertir la ciencia en un producto práctico
Los investigadores ajustaron la energía láser de dos formas principales: Trataron el papel con retardantes de llama para evitar que la energía láser carbonizara por completo o incluso quemara la celulosa. Además, redujeron la potencia del láser y, en su lugar, utilizaron pulsos múltiples, que inyectan menos energía por unidad de superficie en el papel.
Sin embargo, Shih y deMello no se contentaron con demostrar científicamente el principio de los electrodos de papel. Su aspiración era desarrollar un producto que pudiera utilizarse en la práctica. Para ello, implementaron el principio en aplicaciones prácticas y simplificaron enormemente la producción de las tiras analíticas de papel. Ya sólo se tardan 90 minutos en producir 176 sensores a partir de una hoja de papel A4, con un coste unitario de sólo 0,02 dólares.
Un entorno ideal para las innovaciones interdisciplinares
Para Shih, el entorno de la ETH de Zúrich desempeñó un papel decisivo en la invención: "Formamos parte del Departamento de Química y Biociencias Aplicadas. Como ingenieros, nos inspiramos directamente en la investigación puntera que se hace a nuestro alrededor".
Aún está por determinar cómo pondrán los dos ingenieros químicos su invento a disposición de la sociedad y cómo lo comercializarán. Dada la amplísima gama de aplicaciones posibles, podría tener sentido un modelo de licencia. Pero también en este aspecto los científicos pueden confiar en el entorno de la ETH de Zúrich. deMello afirma: "La gente de la ETH de transferencia tiene mucha experiencia en la protección de la propiedad intelectual y la negociación de acuerdos de licencia".
Independientemente de cómo llegue el invento a convertirse en productos concretos, lo cierto es que son innumerables las personas de todo el mundo que pueden beneficiarse de esta innovación de la ETH. Desde terapias médicas más eficaces hasta una agricultura más eficiente y un control de infecciones sin fisuras, la incrustación de electrodos directamente en las tiras reactivas lleva las capacidades de la fluídica del papel a un nuevo nivel.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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