Wytwarzanie urządzeń analitycznych do bawełny
30 sierpnia 2016
Aby zbadać proste metody produkcji dla wielu potrzeb testowych, stworzyliśmy system kanałów absorbujących płyny wykonany z materiału bawełnianego. Urządzenie to zostało wykorzystane do stworzenia platformy wielokrotnego wykrywania i rozwiązania problemów związanych z zanieczyszczeniem, które często dotykają urządzenia biomedyczne oparte na przepływie bocznym, do klinicznej analizy moczu azotynów, białka całkowitego i urobilinogenu.
Ogólnym celem tego protokołu jest wyprodukowanie urządzenia analitycznego z łatwo dostępnego materiału, bawełny, do wykorzystania do analizy. Główną zaletą tej techniki jest to, że urządzenie jest łatwe w wykonaniu. Jest bardzo tani, może być używany do wielu testów i jest szybki w montażu.
Metoda analityczna z urządzeniem jest czuła na wykrywanie zanieczyszczeń próbki i reakcji. Procedurę zademonstruje Shang-Chi Lin, który odegrał kluczową rolę w unowocześnieniu metody. Zacznij od przygotowania urządzeń z paskami testowymi.
Najpierw określ hydrofobowość bawełny oczyszczającej dla pasków testowych, używając standardowego pomiaru kąta zwilżania z kropelkami wody dejonizowanej. Następnie rozpocznij wytwarzanie urządzenia analitycznego na bazie bawełny, krojąc bawełnę oczyszczającą na kawałki o wymiarach 5,5 centymetra na jeden centymetr. Użyj gilotyny do papieru.
Kolejnym krokiem jest wywiercenie zestawów trzech otworów o średnicy 0,5 centymetra w arkuszu folii do laminowania. Wywierć otwory w rzędach z jednym centymetrem między otworami. Każdy zestaw otworów tworzy pasek testowy, a na standardowym arkuszu folii do laminowania można zmieścić do 36 pasków.
Następnie umieść bawełnę oczyszczającą między wywierconym otworem arkuszem folii do laminowania a nienawierconym arkuszem folii do laminowania. Następnie użyj standardowego laminatora do zapakowania urządzenia. Teraz wytnij z zespołu poszczególne urządzenia z paskami testowymi o wymiarach 5,5 na jeden centymetr.
Do wykonania standardowych krzywych trzech roztworów testowych potrzebnych jest 48 pasków. Na każdym obszarze testowym użyj ostrego ostrza, aby wykonać mały kanał od środka każdego obszaru testowego do hydrofilowej warstwy urządzenia podłużnego. Uważaj, aby przeciąć urządzenie tylko do połowy.
Teraz włóż papierowe krążki chromatograficzne o średnicy pół centymetra do każdego z trzech otworów. Folia do laminowania powinna mieć małą krawędź, pod którą można schować krawędzie podkładki. W przypadku paska do analizy moczu pokryj podkładki do oznaczania azotynów roztworem wskaźnika azotynów.
Pokryj podkładkę do oznaczania białek roztworem wskaźnika BSA. I pokryj podkładkę do oznaczania urobilinogenu wskaźnikiem urobilinogenu. Przed kontynuowaniem pozostaw paski do całkowitego wyschnięcia w temperaturze otoczenia.
Dla każdego przygotowanego wzorca zanurzyć chłonny koniec przygotowanego urządzenia w roztworze wzorcowym na dziesięć sekund. Każdy pasek powinien wchłonąć od 200 do 300 mikrolitrów roztworu. Przygotować trzy paski testowe dla każdego badanego stężenia wzorcowego.
Odczekaj dziesięć minut, aż reakcja kolorymetryczna zakończy się w temperaturze pokojowej. Teraz przeskanuj urządzenia, aby przeanalizować kolor każdej podkładki testowej. Użyj skanera biurkowego w trybie RGB i w rozdzielczości 600 dpi.
Przeanalizuj zeskanowany obraz za pomocą standardowego oprogramowania, takiego jak ImageJ. Po otwarciu zeskanowanych plików graficznych wybierz obraz w poleceniach menu i wybierz Typ, aby przekonwertować obrazy RGB na 8-bitową skalę szarości. Następnie użyj narzędzia owalu na pasku narzędzi, aby wybrać obszar analityczny panelu testowego.
Następnie wybierz pozycję Analizuj w poleceniach menu i wybierz pozycję Zmierz, aby przeanalizować intensywność kolorów. Na podstawie wyników średniej intensywności należy wyznaczyć krzywe wzorcowe dla testów. W takim przypadku należy dopasować krzywą standardową dla testu azotynów przy użyciu modelu kwadratowego i dopasować krzywe standardowe dla białka całkowitego i urobilinogenu przy użyciu modeli regresji liniowej.
Na hydrofobowym interfejsie wyprodukowanego urządzenia kąt zwilżania na zewnętrznej powierzchni bawełny został zmierzony pod kątem 127 stopni, co daje lub zabiera 5 stopni. Za pomocą tych urządzeń wykonano standardowe krzywe w celu ustalenia granic wykrywalności dla każdego testu. W przypadku azotynów granica wykrywalności wynosiła 0,147 milimola.
W przypadku albuminy surowicy bydlęcej, roztworu do badania białkowego, granica wykrywalności wynosiła 3,7 mikromola. W przypadku urobilinogenu granica wykrywalności wynosiła 4,9 miligrama na litr. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak wytwarzać bawełniane urządzenia diagnostyczne z hydrofobowością warstwy zewnętrznej, która pomaga uniknąć zanieczyszczenia.
Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w ciągu jednej lub dwóch godzin, jeśli jest wykonywana prawidłowo. Podczas wykonywania tej procedury ważne jest, aby określić hydrofobowość zewnętrznej warstwy bawełny oczyszczającej za pomocą pomiaru kąta zwilżania.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
To badanie przedstawia system kanałów pochłaniających płyny wykonany z materiału bawełnianego, zaprojektowany do wielokrotnych zastosowań w badaniach. Urządzenie rozwiązuje problemy z zanieczyszczeniem, które występują w urządzeniach biomedycznych opartych na przepływie bocznym, szczególnie w przypadku klinicznych analiz moczu.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Inżynieria biomedyczna
- Chemia analityczna
- Diagnostyka kliniczna
Tło
- Zanieczyszczenie może znacząco wpływać na dokładność badań opartych na przepływie bocznym.
- Tradycyjne materiały używane w urządzeniach do badań mogą być kosztowne i trudne do wykonania.
- Bawełna jest łatwo dostępnym, tanim materiałem nadającym się do produkcji urządzeń.
- Wiele badań można przeprowadzić przy użyciu jednego projektu urządzenia.
Cel badania
- Opracowanie taniego i łatwego do wykonania urządzenia analitycznego.
- Stworzenie platformy dla wielu badań, w tym wykrywania azotynów, białka całkowitego i urobilinogenu.
- Rozwiązanie problemów z zanieczyszczeniem w klinicznych analizach moczu.
Zastosowane metody
- Wykonanie systemu kanałów pochłaniających płyny z bawełny.
- Ustanowienie platformy wielokrotnego wykrywania.
- Testowanie urządzenia pod kątem wrażliwości na zanieczyszczenia próbki i reakcji.
- Demonstracja procedury przez eksperta w tej dziedzinie.
Główne wyniki
- Urządzenie oparte na bawełnie skutecznie pochłania płyny i obsługuje wiele badań.
- Problemy z zanieczyszczeniem zostały znacząco zredukowane w porównaniu z tradycyjnymi metodami.
- Urządzenie okazało się tanie i szybkie w montażu.
- Wykazano wrażliwość na wykrywanie analitów istotnych dla klinicznych analiz moczu.
Wnioski
- Urządzenie oparte na bawełnie jest wykonalną alternatywą dla badań opartych na przepływie bocznym.
- Oferuje praktyczne rozwiązanie problemów z zanieczyszczeniami w warunkach klinicznych.
- Ta innowacja może zwiększyć wiarygodność wyników analiz moczu.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
This cotton-based analytical device offers a low-cost, rapidly deployable solution for multi-analyte detection in resource-constrained settings. By leveraging the natural absorptive and hydrophobic properties of cellulose fibers, the platform enables contamination-resistant lateral flow assays for clinical urinalysis. Its simplicity and scalability support early-stage biomarker screening and assay development workflows in biopharma R&D.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables rapid screening of biomarker candidates in urine matrices using nitrite, protein, and urobilinogen readouts.
- Operational Value: Reduces assay development time through a fabricable, multi-test strip format requiring minimal instrumentation.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Provides a reproducible lateral flow format for optimizing colorimetric assays with defined limits of detection (nitrite: 0.147 mM, BSA: 3.7 µM, urobilinogen: 4.9 mg/L).
- Operational Value: Supports high-throughput strip fabrication (up to 36 devices per lamination sheet) for assay optimization and cross-lot consistency.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates pharmacokinetic and pharmacodynamic monitoring in preclinical models via non-invasive urine sampling.
- Operational Value: Enables longitudinal biomarker tracking with minimal sample volume and reduced cross-contamination risk.
Pipeline & Workflow Integration
The device fits within early discovery to preclinical workflows by providing a rapid, low-barrier method for urine-based analyte quantification, supporting go/no-go decisions in lead identification.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of metabolic or renal pathway modulation through quantitative urinary biomarker measurement.
- Screening: Enables assay standardization via hydroponic cotton preparation and contact angle validation for batch-to-batch reproducibility.
- Analytics: Generates quantitative color intensity data convertible to concentration curves using ImageJ and regression modeling.
- Translational Research: Aligns with urinary biomarker continuity from discovery to preclinical validation for target engagement and safety monitoring.
- Enterprise Reuse: Represents a platform technology adaptable to multiple analyte panels beyond urinalysis through simple pad re-coating.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Improves predictive confidence in biomarker assays by minimizing false signals from sample or reagent contamination.
- Operational Value: Delivers cost-effective, scalable assay production with assembly time under two hours post-training.
- Strategic Value: Reduces biological de-risking costs by enabling early validation of urinary biomarkers in discovery.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of targets with non-invasive, clinically translatable readouts.
Implementation Considerations
- Requires basic training in contact angle measurement to assess cotton hydrophobicity (target ~127°).
- Needs access to a laminator, precision cutter, and hole-punch for lamination film preparation.
- Demands standardized coating protocols for assay-specific indicator solutions (nitrite, BSA, urobilinogen).
- Requires image analysis capability (e.g., ImageJ) for grayscale conversion and intensity measurement.
- Performance depends on precise channel cutting depth (halfway through device) to ensure proper fluid wicking.
