หากควันบ่งชี้ว่ามีเพลิงไหม้ ไนตริกออกไซด์จะส่งสัญญาณการอักเสบ ผู้ไกล่เกลี่ยทางเคมีส่งเสริมการอักเสบ แต่นักวิจัยสงสัยว่ามันสามารถทำงานได้ดีเกินไปหลังจากที่เอ็นไขว้หน้า (ACL) แตกและการบาดเจ็บที่เกี่ยวข้องและเริ่มมีอาการข้อเข่าเสื่อมในระยะเริ่มแรก โดยทั่วไป โรคความเสื่อมจะได้รับการวินิจฉัยหลังจากมีอาการที่ลุกลามเท่านั้น แต่อาจสามารถระบุได้เร็วกว่านี้มากผ่านการตรวจสอบไนตริกออกไซด์ ตามรายงานของ Huanyu “Larry” Cheng, James E. Henderson Jr. Memorial รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมศาสตร์และกลศาสตร์ที่ Penn State .
Cheng และ Shangbin Liu ลูกศิษย์ของเขา ซึ่งสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาโทด้านวิศวกรรมศาสตร์และกลศาสตร์ที่ Penn State ในปีนี้ ได้ร่วมมือกับนักวิจัยในจีนเพื่อพัฒนาไบโอเซนเซอร์ที่ยืดหยุ่นได้ซึ่งสามารถตรวจจับไนตริกออกไซด์แบบต่อเนื่องและไร้สายในกระต่ายได้ พวกเขาตีพิมพ์แนวทางของพวกเขาในการ ดำเนินการ ของNational Academy of Sciences
“การประเมินไบโอมาร์คเกอร์ที่เกี่ยวข้องกับการอักเสบแบบเรียลไทม์ เช่น ไนตริกออกไซด์ในช่องข้อต่อ อาจบ่งบอกถึงวิวัฒนาการทางพยาธิวิทยาที่การพัฒนาเบื้องต้นของโรคข้อเข่าเสื่อม โดยให้ข้อมูลที่จำเป็นเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการรักษาหลังจากได้รับบาดเจ็บที่เข่า” เฉิงกล่าว
ความท้าทายของเฉิงคือการตรวจจับไนตริกออกไซด์ต้องใช้เซ็นเซอร์ไฟฟ้าเคมีที่มีความไวสูงและมีเสถียรภาพ ซึ่งมีความยืดหยุ่นและเข้ากันได้ทางชีวภาพ จึงสามารถระบุที่มาทางภูมิศาสตร์ของไนตริกออกไซด์ได้อย่างแม่นยำ Lan Yinผู้เขียน ที่เกี่ยวข้อง รองศาสตราจารย์ใน School of Materials Science and Engineering ที่มหาวิทยาลัย Tsinghua ในประเทศจีน ก่อนหน้านี้ได้เป็นผู้นำในการพัฒนาเซ็นเซอร์ไฟฟ้าเคมีที่ไวต่อไนตริกออกไซด์ที่ยืดหยุ่นและไว แต่อาศัยการกำหนดค่าอิเล็กโทรดที่จำกัดความสามารถของเซ็นเซอร์
“พื้นที่ผิวที่จำกัดทำให้ยากต่อการบรรลุทั้งความไวสูงและความละเอียดเชิงพื้นที่สูงพร้อมกัน” Yin กล่าว ซึ่งหมายความว่าอุปกรณ์ดังกล่าวอาจตรวจจับไนตริกออกไซด์ได้ แต่อาจไม่สามารถระบุได้อย่างแน่ชัดว่าต้นกำเนิดมาจากที่ใด ดังนั้นจึงไม่ใช่ ชัดเจนว่าสัญญาณเกี่ยวข้องกับบริเวณที่เกิดการบาดเจ็บหรือเนื้อเยื่อรอบข้างหรือไม่ “จำเป็นต้องมีการปรับเทียบใหม่เป็นประจำเพื่อให้แน่ใจว่าถูกต้องแม่นยำ”
นักวิจัยได้หันไปใช้โซลูชันที่มีศักยภาพของทรานซิสเตอร์ไฟฟ้าเคมีอินทรีย์ที่ยืดหยุ่นและเข้ากันได้ทางชีวภาพ (OECTs) ซึ่งสามารถใช้แรงดันและกระแสเพื่อระบุและขยายสัญญาณได้ แม้แต่ความเข้มข้นของไอออนเพียงเล็กน้อยก็สามารถตรวจจับและขยายได้เมื่อออกซิไดซ์บนอิเล็กโทรดเกตและขับไอออนของอิเล็กโทรไลต์เข้าไปในช่องของอุปกรณ์ อย่างไรก็ตาม ช่องสัญญาณนี้ทำจากพอลิเมอร์ที่เรียกว่า PEDOT:PSS ซึ่งมักจะทำงานที่แรงดันเกตที่แตกต่างจากไนตริกออกไซด์
Cheng กล่าวว่า “เราปรับรูปทรงช่องสัญญาณและวัสดุประตูเพื่อให้สอดคล้องกับสัญญาณไฟฟ้าเคมีของไนตริกออกไซด์ที่เข้าสู่ช่องสัญญาณและวิธีที่อุปกรณ์ตรวจจับได้ “เซนเซอร์ไร้การอ้างอิงที่มีขอบเขตการตรวจจับแบบแอคทีฟขนาดเล็กช่วยให้สามารถตรวจจับไนตริกออกไซด์ด้วยความละเอียดเชิงพื้นที่ที่ดีขึ้นเมื่อเทียบกับเซนเซอร์ไนตริกออกไซด์ไฟฟ้าที่รายงานก่อนหน้านี้ ซึ่งจะช่วยให้การทำแผนที่ของสัญญาณไฟฟ้าเคมีเพื่อให้ข้อมูลการวินิจฉัยที่ครอบคลุม”
นักวิจัยได้รวมเซ็นเซอร์เข้ากับโมดูลวงจรที่ปรับแต่งได้ ส่งผลให้อุปกรณ์ที่ตรวจสอบระดับไนตริกออกไซด์อย่างต่อเนื่องและแบบไร้สาย ซึ่งส่งผ่านบลูทูธไปยังแอปโทรศัพท์มือถือ เพื่อทดสอบการออกแบบ นักวิจัยได้ฝังอุปกรณ์ไว้ในกระต่าย กว่าแปดวัน นักวิจัยพบว่าอุปกรณ์ดังกล่าวสามารถตรวจพบความเข้มข้นของไนตริกออกไซด์ได้สำเร็จ
“ผลการวิจัยระบุว่าสัญญาณเริ่มต้นของความเข้มข้นของไนตริกออกไซด์สูงอาจมีความสัมพันธ์กับการอักเสบและการเสื่อมสภาพของกระดูกอ่อนในระยะต่อมา ซึ่งอาจให้ข้อมูลที่จำเป็นในการประเมินความก้าวหน้าของโรคข้อเข่าเสื่อมหลังจากได้รับบาดเจ็บจาก ACL และเพิ่มประสิทธิภาพการรักษาหลังถูกทารุณกรรม” เฉิงกล่าว
นักวิจัยวางแผนที่จะดำเนินการตรวจสอบความเชื่อมโยงระหว่างความเข้มข้นของไนตริกออกไซด์กับโรคข้อเข่าเสื่อม รวมถึงการกลั่นกรองเทคโนโลยีการตรวจจับตาม Cheng
“โดยรวมแล้ว ตัวเลือกวัสดุที่เสนอและการออกแบบอุปกรณ์สามารถนำเสนอพื้นฐานทางวิศวกรรมที่สำคัญสำหรับการถอดรหัสสภาวะสุขภาพในระยะเริ่มต้น และเพิ่มผลการรักษาสูงสุดจากการเสื่อมสภาพและความผิดปกติที่เกี่ยวข้อง” Yin กล่าว
ผู้มีส่วนร่วมอื่น ๆ ได้แก่ Yuping Deng, Zhenhu Guo, Kuntao Chen และ Lingyun Zhao, Tsinghua University; Hui Qi, Yongsheng Jie, Rui Zheng และ Jinzhu Jing, Beijing Institute of Traumatology and Orthopaedics; Yuan Ma, Milin Zhang, Kaiyuan Zhang และ Xing Sheng, Tsinghua มหาวิทยาลัย Mingyou Zhao มหาวิทยาลัยปักกิ่ง He Ding และ Guoqing Lv สถาบันเทคโนโลยีแห่งปักกิ่ง และ Rongfeng Li สถาบันนวัตกรรมความร่วมมือแห่งปักกิ่ง Guo ยังร่วมกับมหาวิทยาลัย Central South
มูลนิธิวิทยาศาสตร์ธรรมชาติแห่งชาติของจีน โครงการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ของโรงพยาบาลมหาวิทยาลัย Tsinghua-Peking Union Medical College คณะกรรมการสุขภาพเทศบาลกรุงปักกิ่ง และกองทุนวิจัยความร่วมมือมหาวิทยาลัยโตเกียว-ชิงหวา สนับสนุนงานวิจัยนี้
