Le professeur agrégé Kazuhiro Takahashi et le professeur adjoint Yong-Joon Choi du Département de génie électrique et électronique de l'information de l'Université de technologie de Toyohashi ont mis au point une puce capable de détecter les antigènes à raison d'une partie par quadrillion de masse molaire. La puce a été créée à l'aide de la technologie de micro-usinage de semi-conducteurs. Des antigènes dérivés de maladies et présents dans le sang et la salive ont été collés à la surface d'une nanofeuille déformable de manière flexible. La quantité de force générée lors de l'interaction entre les antigènes adhérés a ensuite été convertie en informations de déformation de la nanofeuille afin de détecter avec succès des antigènes spécifiques. Créé avec la technologie des semi-conducteurs usinés à l'échelle millimétrique, cette puce de capteur devrait contribuer à la télémédecine en fonctionnant comme un biocapteur IoT qui permet d'effectuer des tests d'antigènes et d'anticorps à domicile.

L'appareil de mesure détecte simplement et rapidement les maladies en utilisant une infime quantité de sang, urine, salive, ou autre fluide corporel, et sera un outil essentiel pour diagnostiquer avec précision les maladies, vérifier les résultats du traitement, et vérifier les récidives et les métastases. Des recherches sont menées sur un biocapteur capable de mesurer les résultats des traitements et les réactions pathologiques en détectant l'ADN, ARN et protéines contenus dans un tel fluide. Cette technologie a récemment suscité l'intérêt à travers le monde, avec détection d'antigènes et d'anticorps largement utilisée pour détecter et déterminer la présence de nouvelles infections à coronavirus. Par ailleurs, parmi les patients COVID-19, les rapports suggèrent que les patients présentant des symptômes graves présentent des différences dans les concentrations de protéines multiples contenues dans le sang par rapport à ceux présentant des symptômes légers. En examinant de tels marqueurs, cette technologie devrait être utilisée pour prédire la gravité de la maladie.

Les appareils de détection de courant ne sont pas numérisés, et nécessitent une confirmation visuelle des changements de couleur à l'aide d'un agent d'étiquetage. La lecture de la large gamme de marqueurs prend du temps, et a rendu difficile la mise en œuvre des appareils IoT. L'équipe de recherche développe une puce de microcapteur qui vérifie les maladies à l'aide d'une nanofeuille déformable de manière flexible fabriquée à l'aide de la technologie de micro-usinage de semi-conducteurs. D'abord, un anticorps captant les antigènes ciblés est fixé sur la nanofeuillet, et les déformations d'un film mince provoquées par des répulsions électriques parmi les antigènes adhérés sont mesurées. Pour améliorer la sensibilité au point où la membrane à laquelle les antigènes adhèrent devient mince et molle, des nanofeuillets organiques deux fois plus doux que le silicium semi-conducteur sont utilisés. Cela devrait améliorer la sensibilité du capteur à une magnitude deux fois supérieure à celle des capteurs conventionnels à base de silicium. En outre, le développement se poursuit sur la technologie de détection de signal qui utilise une caméra de smartphone pour détecter la déformation des nanofeuilles.

Avec ce capteur, qui est conçu pour les changements sensibles de l'adhérence des biomolécules, l'anticorps doit être préalablement fixé sur la nanofeuillet afin de capturer l'antigène, et les problèmes liés à la dégradation du film peuvent rendre ce processus difficile. L'équipe de recherche a optimisé la densité pour que les anticorps adhèrent à une nano membrane avec une épaisseur réglable, créer un biocapteur qui détecte uniquement les antigènes avec une sensibilité particulièrement élevée. De plus, puisqu'il est possible de détecter la déformation de la feuille nano causée par les molécules adhérées en temps réel, la technologie devrait permettre une détection rapide des molécules dérivées de la maladie. Le biocapteur développé dans ce projet a été utilisé dans une expérience pour détecter l'albumine, une protéine contenue dans le sang. L'expérience a réussi à détecter un femtogramme (15 attomoles en concentration molaire) d'antigène contenu dans un millilitre. Avec une limite de détection minimale presque équivalente à celle des dispositifs de détection à grande échelle utilisant des agents de marquage, ce dispositif devrait permettre une détection ultra-sensible sur une balance portable.

Aller de l'avant, l'équipe de recherche prévoit de mener des essais utilisant des capteurs à semi-conducteurs pour détecter des marqueurs de symptômes graves d'infection au COVID-19. En plus de la détection de sang, des capteurs chimiques sont en cours de développement pour détecter les odeurs et les substances chimiques. Nous pensons que nous pouvons contribuer à une société basée sur l'IoT en créant de nouveaux, dispositifs de détection à petite échelle une réalité. Remplacement de la molécule sonde à la surface de notre nanofeuille, la technologie peut être utilisée pour détecter des virus tout en détectant une variété de biomarqueurs. En rendant ces biocapteurs communs dans la société, nous visons à contribuer à la télémédecine, permettant aux médecins d'effectuer des diagnostics à domicile.