快速检测新冠病毒抗体的3D打印生物芯片

2020年以来，SARS-CoV-2病毒导致的新型冠状病毒肺炎（COVID-19）疫情在全球产生了重大影响。目前全世界范围内正在探索几种涉及先进材料的方法来检测新冠病毒感染者。

快速测出感染者有助于及时隔离患者与进行流行病追踪。在新冠疫情防控中，仍需要低成本、快速的方法来发现早期感染者。如果人们使用的检测方法能够在几分钟甚至是几秒钟内检测出SARS-CoV-2感染抗体，将对疫情防控起到积极作用。

卡内基梅隆大学的研究人员通过气溶胶喷射3D打印技术，开发了一种检测SARS-CoV-2病毒特异性抗体的生物芯片，可在几秒终内获得检测结果。除了测试外，该测试芯片还将有助于准确量化患者对新疫苗的免疫反应。

快速检出病毒抗体

电化学传感是检测病原体或抗体的一种很有前景的方法。

这种方法的远离是通过电化学转导检测抗体-抗原复合物的形成。但是，除了抗原和测定程序外，检测的灵敏度、特异性和速度还取决于电化学电池以及电极的几何形状和表面化学性质。在常规的电化学传感器中，电极通常是平面的2D结构，通常用纳米材料装饰以增加其表面积。

卡内基梅隆大学的研究人员注意到，生物传感设备的复杂性随着微电子学的发展而发展，从生物MEMS到由先进的光刻技术制成的小型生物芯片，都是生物传感设备发展的结果。

近年，在微电子学中出现了涉及先进材料的基于纳米颗粒的3D打印方法，这些方法可以实现复杂的几何形状、材料组合和定制的微结构。Aerosol Jet(AJ)3D打印属于这种技术。Aerosol Jet(AJ)3D打印是一种使用雾化液滴流以10 µm的分辨率沉积纳米材料阵列的技术，已被用于制造各种电子设备。

来自卡内基梅隆大学机械工程学副教授Rahul Panat带领的研究团队利用材料和制造领域的最新进展，例如纳米粒子3D打印技术，创建了一种可以快速检测COVID-19病毒抗体的生物芯片。他们的研究范围从脑机接口到生物监测设备。研究成果发表在Advanced Materials杂志上。卡内基·梅隆大学的合作者包括匹兹堡大学(Pitt)和UPMC。

生物芯片中带有3D纳米打印的三维电极，电极被还原性氧化石墨烯(reduced‐graphene‐oxide, rGO)的纳米薄片覆盖，可降特定的病毒抗原固定在rGO纳米薄片上。电极与微流体装置相集成，用于标准电化学电池。当抗体被引入电极表面时，它们选择性地与抗原结合，改变通过阻抗谱检测的电路阻抗。

以上描述的生物芯片，可以在很小的一滴血液（约5微升）中识别出两种病毒的抗体，即S1蛋白和受体结合域（RBD）。抗体浓度可能极低，并且仍低于1皮摩尔（0.15纳克/毫升）。这种检测是通过手持式微流体设备内的电化学反应发生的，该反应几乎可以立即将结果发送到智能手机上的简单界面。

芯片中的3D打印电极呈现金微柱状，具有粗糙、不规则的表面。这种结构的优势是增加微柱的表面积并增强电化学反应，其中抗体可以闩锁在电极上包覆的抗原上。特定的几何形状允许微柱加载更多的蛋白质进行检测，从而获得非常准确，快速的结果。

根据研究论文的描述，这种检测方法错误率非常低，因为该设备中使用的抗体和抗原之间的结合反应具有很高的选择性。研究人员能够利用这种自然设计发挥自己的优势。

该结果是在COVID-19疫情期间的紧迫时刻提出的。由于他们的技术可以量化对疫苗接种的免疫反应，因此在当前环境下非常重要。

通过气溶胶喷射纳米颗粒3D打印制成的COVID-19测试芯片的图像。©卡内基梅隆大学先进制造和材料实验室

对传染病的治疗和预防进行快速诊断是一个公共卫生问题。这一研究中设计的传感平技术具有通用性，因此可用于快速检测其他传染原（例如埃博拉，HIV）的生物标志物。这种快速有效的测试可能是控制疾病传播的游戏规则。