Synthetic Paper for Point-of-Care Diagnostics

Capillary control, surface modifications, and their applications

Tid: Fr 2020-09-11 kl 13.00

Plats: F3, Lindstedtsvägen 26, Stockholm (English)

Ämnesområde: Bioteknologi Kemiteknik Elektro- och systemteknik Teknisk mekanik

Respondent: Weijin Guo , Mikro- och nanosystemteknik, Microfluidics

Opponent: Doctor Govind V. Kaigala, IBM Research - Zurich, Switzerland

Handledare: Professor Wouter van der Wijngaart, Mikro- och nanosystemteknik; Doctor Jonas Hansson, Mikro- och nanosystemteknik

Abstract

Patientnära medicinsk diagnostik är ett bra sätt för att få snabba diagnostiska svar inom sjukvården eller i hemmet. Lateralflödestest, som drivs av kapillärkrafter, är en typ av patientnära diagnostik som är väldigt populär på grund av dess låga pris, enkla tillverkning samt att de är lätta att använda. De flesta lateralflödestester på marknaden ger endast kvalitativa resultat eller har låg känslighet. Det finns alltså ett behov av att förbättra dess prestanda. I den här avhandlingen försökte jag förbättra prestanda för lateralflödestest från olika aspekter, nämligen: förbättrad kontroll av flödeshastighet, ytmodifiering, blodplasmafiltrering, och immunoanalysmetod. 

Variationer av provvätskans egenskaper (viskositet och ytenergi) kan leda till variationer i lateralflödesresultat. Jag utvecklade ett nytt kapillärsystem som kan ge konstant pumphastighet oberoende av både provets ytenergi och viskositet, vilket minskar skillnaderna som orsakas av variationerna i provets vätskeegenskaper. Kapillärsystemet fungerar bra för kroppsvätskor, inklusive blodprover med låg ytenergi.

Material för lateraltflödestester bör vara hydrofilt och ska vara lätt att immobiliseras med protein för immunanalys. Jag utvecklade ytmodifieringsprotokoll för ett nytt material för lateralflödestest som kallas ”OSTE syntetiskt papper”. Jag testade olika hydrofila behandlingar på syntetiskt papper, inklusive PEGMA, HEMA, O2 plasma och Tween 20-beläggning. Alla dessa behandlingsmetoder fungerar bra, och ger något olika hydrofilicitet, och därför olika pumphastighet. De kan användas i tillämningar med olika krav på hydrofilicitet. Dessutom flödade jag blodplasmaprover genom det syntetiska papperet med olika hydrofila behandlingar och fann att dess yta binder väldigt lite plasmaprotein (nästan 100% av proteinet behålls i plasman), vilket visar att syntetpappret är ett bra material för biologisk provhantering. Jag utvecklade också två protokoll för att fästa biomolekyler på syntetiskt papper med hjälp av molekylkombinationerna tiol-yne-biotin-streptavidin och tiol-maleimid-biotin-streptavidin.

Blodplasmaseparering är ett viktigt steg för lateralflödestester när man analyserar är blod. Vanligtvis används ett kommersiellt filtreringsmembran på testremsan för plasmaseparation men tyvärr fastnar mycket av provets protein i filtreringmembranet. Jag byggde en plasma-extraherare av syntetiskt papper. Det syntetiska papperet gavs en hydrofil yta och belades med agglutinerings-antikropp. Agglutinerings-antikroppen binder ihop röda blodkroppar med varandra, och plasman fortsätter att föda. Det syntetiska papperet har porstorlek som är tillräckligt liten för att tillhandahålla kapillärkraft för att pumpa plasma, och tillräckligt liten för att se till att protein inte fastnar på ytan, vilket gör att man får mer protein kvar att analysera (>82%) än om man använder kommersiella filtreringsmembran (73%).

Nitrocellulosa och glas är vanliga material för mikroarray-plattformar. Jag gjorde en systematisk jämförelse av nitrocellulosa, glas och syntetiskt papper genom att använda dem som underlag för en proteinbaserad mikroarray-plattform. Den använde en antikroppsbaserad analysmetod för enrofloxacindetektion i mjölk. Från de experimentella resultaten drog jag slutsatsen att syntetiskt papper kunde ge en generellt bättre prestanda när det gäller varians, reproducerbarhet och detektionsgräns. Jag undersökte även påverkan av syntetiska papprets geometriska design på analysprestanda och valde den bästa designen för studier av mjölk. Jag fann att matriseffekten av mjölk är liten på syntetiskt papper, att syntetiskt papper kan användas direkt för enrofloxacindetektion i mjölk och med en detektionsgräns långt under EUs reglemente. Resultaten av mikroarray-plattformen kan ge riktlinjer för utformning av lateralflödestester med syntetiskt papper som underlag.

Resultaten in denna avhandling kan användas tillsammans eller separat för att öka prestandan i framtidens lateralflödestester. Det syntetiska pappret visade sig ha god potential för att skapa kvalitativa lateralflödestester.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-276251