Surface Directed Flows and Fluidic diodes: Transforming lateral flow assays into multistep diagnostics devices

Stel je een diagnostische test voor die werkt als een klein, zelfvoorzienend riviersysteem. Decennialang was de meest voorkomende manier om thuis of in afgelegen klinieken naar ziekten te zoeken de lateral flow assay, de bekende strip die van kleur verandert wanneer deze een virus of hormoon detecteert. Deze apparaten zijn wonderen van eenvoud: een druppel vloeistof wordt aan één uiteinde geplaatst en trekt vervolgens vanzelf door een poreus papieren membraan, waarbij het chemicaliën met zich meevoert totdat het een testlijn bereikt. Dit proces vereist geen batterijen, geen pompen en geen training. Echter, deze precisie in eenvoud is ook een beperking. Omdat de vloeistof beweegt in één continue stroom, kan het apparaat slechts één stap tegelijk uitvoeren. Het kan niet gemakkelijk een monster toedienen, wachten tot het reageert, en vervolgens een tweede chemische stof introduceren om het signaal te versterken. Om meer gevoelige resultaten te krijgen, moeten wetenschappers vaak complexe, meerstaps procedures uitvoeren die moeilijk te automatiseren zijn in een eenvoudige strip.

Onderzoekers van Northern Illinois University en de University of Nevada hebben een manier gevonden om deze flessenhals te omzeilen zonder complexiteit toe te voegen. Ze hebben een klein, passief onderdeel ontwikkeld, een fluidic diode genoemd, die in het midden van een standaard teststrip kan worden geschoven. Net zoals een elektrische diode stroom slechts in één richting doorlaat, laat dit nieuwe apparaat vloeistof in één richting door het papier stromen, maar houdt het tegen dat de vloeistof achteruit stroomt. Door deze diodes in een reeks te plaatsen, creëerden de onderzoekers een systeem waarin verschillende vloeistoffen na elkaar kunnen worden toegediend, in een precieze volgorde, allemaal binnen dezelfde kleine strip. Deze innovatie transformeert een eenvoudige, eenstaps test in een geavanceerde, meerstaps diagnostische tool die nog steeds net zo gemakkelijk te gebruiken en te produceren is als de originele.

De kern van deze uitvinding is een slimme rangschikking van materialen die de vloeistof stuurt met behulp van oppervlaktespanning in plaats van fysieke wanden. In een traditioneel microfluïdisch apparaat worden kanalen in plastic of glas uitgehouwen om de vloeistof vast te houden. Hier bouwden de onderzoekers een brug tussen twee papierpads met behulp van een dunne plastic plaat, waarbij een kleine, onzichtbare luchtopening tussen het papier en het plastic werd gelaten. Wanneer vloeistof de eerste pad binnentreedt, wordt het over deze opening getrokken door de natuurlijke aantrekkingskracht tussen het water en de plastic oppervlakken, waardoor het soepel in de volgende pad stroomt. Echter, als iemand probeert de vloeistof vanuit de tweede pad achterwaarts te duwen, verandert de geometrie van het apparaat. De vloeistof komt een scherpe rand en een hydrofoob, of waterafstotend, oppervlak tegen dat fungeert als een stopteken. De vloeistof blijft bij de rand steken en kan de opening niet in omgekeerde richting oversteken. Dit eenrichtingsverkeer is volledig passief; het vereist geen bewegende delen, geen elektriciteit en geen externe controle.

Om te bewijzen dat dit concept werkt, testte het team individuele diodes met diverse vloeistofmengsels. Ze ontdekten dat wanneer vloeistof op de startpad werd aangebracht, deze de luchtopening passeerde en de volgende pad bereikte in minder dan drie seconden. Wanneer ze probeerden de vloeistof achterwaarts te duwen, bleef deze op zijn plaats, stevig vastgehouden door de stop-klep-geometrie, zelfs onder druk. Het apparaat bleek robuust genoeg om veelvoorkomende additieven in medische tests te verwerken, zoals surfactanten, oftewel stoffen die helpen om vloeistoffen gelijkmatig te verspreiden. Zelfs met deze additieven stroomde de vloeistof snel naar voren, maar weigerde zij achterwaarts te bewegen, wat bevestigde dat de diode betrouwbaar kon functioneren onder realistische omstandigheden.

De ware kracht van deze technologie kwam naar voren toen de onderzoekers meerdere diodes aan elkaar koppelden in een keten. Door ze te verbinden, creëerden ze een systeem waarbij vloeistof van de ene sectie naar de volgende kon bewegen in een strikte sequentie. In deze gekoppelde assemblages werden verschillende gekleurde vloeistoffen op verschillende momenten geïntroduceerd. De eerste vloeistof bewoog naar voren, stopte vervolgens, en wachtte tot de tweede vloeistof werd toegevoegd. De tweede vloeistof stroomde vervolgens naar voren en duwde de eerste vloeistof mee zonder de twee met elkaar te mengen. Dit toonde aan dat het apparaat reagentia in een specifieke volgorde kon leveren, een capaciteit die voorheen onmogelijk was in een standaard papierstrip zonder complexe fabricage of gebruikersinterventie.

De onderzoekers pasten deze technologie vervolgens toe op een test voor SARS-CoV-2, het virus dat COVID-19 veroorzaakt. Ze bouwden een teststrip waarbij het monster en de detectiechemische stoffen apart werden gehouden totdat het juiste moment aanbrak. Eerst werd het monster van de patiënt aangebracht en stroomde het naar de testlijn. Daarna werd een tweede vloeistof, die de detectiechemische stoffen bevat, toegevoegd, welke via de diode stroomde en reageerde met het monster. Dit tweestaps proces stelde de test in staat om een complexere bindingsreactie uit te voeren dan een standaard strip. De resultaten waren opmerkelijk: de nieuwe tweestaps test produceerde een signaal dat tweeënhalf keer sterker was dan een conventionele test die exact dezelfde chemicaliën gebruikte. Het sterkere signaal suggereert dat deze methode het virus bij lagere concentraties kan detecteren, wat de test gevoeliger maakt.

Misschien wel het meest significante aspect van deze ontdekking is hoe gemakkelijk het geproduceerd kan worden. De fluidic diode vereist geen dure machines of precisietechniek. Omdat de vloeistof wordt gestuurd door de oppervlakte-eigenschappen van de materialen in plaats van door uitgehouwen kanalen, kunnen de componenten in platte lagen worden samengesteld, net als het papier, plastic en de lijm die in huidige teststrips worden gebruikt. Deze lagen kunnen in individuele strips worden gesneden met dezelfde hogesnelheidsmachines die fabrieken al gebruiken. Dit betekent dat de technologie opgeschaald kan worden voor massaproductie zonder dat de volledige productie-infrastructuur herbouwd hoeft te worden. Door een eenvoudige papierstrip te veranderen in een apparaat dat in staat is tot complexe, getimede reacties, biedt dit werk een praktisch pad naar krachtigere diagnostische tools die eveneens betaalbaar en toegankelijk blijven voor iedereen.