Workshop BioChip and Biomedicine Chip Design

Nanoinženýrské platformy pro pokročilé aplikace biočipů v diagnostice nemocí a neuromorfním vnímání

Nedávný pokrok v oblasti nanomateriálů a mikro/nanofabrikace připravil půdu pro vývoj multifunkčních biočipových platforem s širokým uplatněním v diagnostice nemocí a neuromorfním snímání. Tato přednáška se zaměří na dva špičkové nanoinženýrské systémy. První z nich se vyznačuje strukturou nanokartáče funkcionalizovaného specifickými protilátkami pro rychlé biosenzory bez značení. Tato platforma umožňuje elektrickou detekci cílových biomolekul a exozomů pocházejících z neuronů v lidské krevní plazmě, čímž dosahuje diferenciace Alzheimerovy choroby podle stadia během dvou minut. Kromě toho podporuje citlivou impedimetrickou detekci srdečního troponinu I v krevní plazmě a identifikaci patogenů prasat v prasečím séru, což dokazuje její univerzálnost v humánní i veterinární diagnostice. Druhý systém se zaměřuje na různé van der Waalsovy heterostrukturní tranzistory s polním efektem (VHFET). Zejména VHFET s upravenými přístupovými oblastmi (VHFET-AR) navrženými tak, aby napodobovaly Merkelovy disky – hmatové mechanoreceptory v lidské kůži. Tato zařízení úspěšně reprodukují synaptické funkce, včetně plasticity závislé na špičkách, inverzního notch signálu a laterální inhibice, které jsou nezbytné pro prostorovou diskriminaci a hmatové vnímání. Společně tyto nanoinženýrské platformy nabízejí slibná řešení pro biočipové technologie nové generace, pokročilou přesnou medicínu a bioinspirované robotické snímání.

Nové materiály a platforma zařízení pro nositelnou elektroniku nové generace

Nositelná elektronika přitahuje pozornost jako nová technologie umožňující praktické využití elektronických textilií a inteligentního oblečení. Budoucnost nositelných zařízení podle očekávání zahrnuje nositelný automatický systém, který vnímá potřebné informace z lidské kůže, oblečení, prostředí a některých předmětů. Mezi různými technickými přístupy byly jako reprezentativní kandidáti vyvinuty zařízení ve tvaru vláken, která umožňují vytváření sítí v textiliích pro praktické nositelné aplikace. V přednášce budeme diskutovat o inovativním procesu potahování jednorozměrného substrátu za účelem implementace elektronických vláken pro nositelnou elektroniku. Potahovací systém s kapilární trubicí umožnil vytvoření hladkých a kompaktních nanogranulárních organických feroelektrických filmů na flexibilních a tenkých kovových drátech. Výsledkem bylo zlepšení feroelektrických vlastností polymerového filmu ve tvaru vlákna, což umožnilo paměťovému zařízení pracovat při nízkém napětí pod 5 V. Kromě toho jsme vyvinuli vysoce integrovanou technologii elektronických vláken nazvanou „Chip on a fiber“ pro aplikace v oblasti nositelných počítačů. Představíme také jednokrystalické dvourozměrné kovové nanovrstvy pro elektronické, energetické a senzorové aplikace.

Čichové senzory – integrace více přístupů k snímání a analýze dat pro zemědělství, zdravotnictví a další oblasti

Čichové senzory (elektronický nos, e-nos) jsou poslední hranicí pěti smyslů. Očekává se, že přispějí k aplikacím, kde je přístup k jiným senzorům obtížný, například v uzavřených prostředích, kde jsou fyzikální změny nepatrné, nebo kde jsou hlavním cílem neviditelné chemické reakce, jako je metabolismus. Pro praktické umělé čichání jsme vyvinuli membránový povrchový senzor napětí (MSS) s různými praktickými vlastnostmi, včetně vysoké citlivosti, malých rozměrů, chemické rozmanitosti, provozu při pokojové teplotě, mechanické/elektrické stability, nízké spotřeby energie a rychlé odezvy. Na základě této jedinečné platformy se neustále provádí výzkum a vývoj hardwaru i softwaru, včetně formulace principu fungování, vývoje různých funkčních materiálů a integrace s strojovým učením. Kromě toho byla zorganizována MSS Alliance/Forum/Partnership, největší světová spolupráce mezi průmyslem, akademickou sférou a vládou v oblasti čichových senzorů, která nashromáždila obrovské množství know-how. V současné době jsou prováděny různé terénní zkoušky, zejména pro měření biologických plynů v zemědělských a lékařských aplikacích, spolu s nově založenou start-up společností NIMS.

Využití fotopletysmogramů (PPG) ze smartphonů/nositelných zařízení pro hodnocení zdravotního stavu

Co kdyby vám smartphone mohl sdělit víc než jen čas a kdo vám volá – mohl by vám říct, jak je na tom vaše srdce? Vzhledem k tomu, že 70 % světové populace vlastní smartphone, máme v kapse výkonnou, globálně dostupnou platformu pro monitorování zdraví. Tato přednáška se zabývá tím, jak lze fotopletysmografii (PPG) zachycenou kamerami smartphonů nebo nositelnými senzory použít k odhadu klíčových fyziologických parametrů, jako je srdeční frekvence, variabilita srdeční frekvence, dechová frekvence, srdeční arytmie a krevní tlak, kdykoli a kdekoli. Ponoříme se do vývoje algoritmů pro pokročilé zpracování signálů pro zdravotní screening a preventivní péči. Dotkneme se hodnocení kvality dat jako nezbytné součásti robustního hodnocení zdraví. A projdeme si databáze, které jsme vytvořili v reakci na neexistující nebo nevhodná dostupná data. Připojte se k nám a zjistěte, jak vytváříme dostupné digitální zdravotní nástroje, které by mohly demokratizovat diagnostiku a přinést preventivní kardiologii do dlaně vaší ruky.

Biočipy pro point of need – laboratorní výzva

Systémy point-of-care (POC) a point-of-need (PON) jsou určeny pro použití mimo konvenční laboratoře, a to v klinických, veterinárních, environmentálních a potravinářských zařízeních. Tyto aplikace vyžadují jednoduché ovládání a konzistentní fungování za proměnlivých podmínek. Vývoj mikrofluidních čipů pro takové použití zahrnuje přesnou výrobu, kontrolu manipulace s kapalinami a dobře definovanou povrchovou chemii. Každý krok musí být měřen podle zavedených analytických metod, aby byla ověřena přesnost a opakovatelnost. Přednáška představí příklady toho, jak se rané koncepty proměnily v funkční prototypy. Zaměří se na klíčová technická rozhodnutí, praktické obtíže během vývoje a roli koordinované práce mezi inženýrskými a analytickými týmy.

Zkoumání dvoufotonové litografie pro mikrofabrikace v aplikacích biočipů

Dvoufotonová polymerizace (2PP) je technika s vysokým rozlišením, která umožňuje výrobu složitých trojrozměrných mikrostruktur s přesností v řádu submikrometrů. Na rozdíl od konvenční litografie umožňuje 2PP volnou výrobu za okolních podmínek, což je zvláště výhodné pro biologické aplikace vyžadující přesnou kontrolu mikroprostředí. Díky své schopnosti vytvářet struktury s variabilní pórovitostí, vícevrstvou architekturou a vnitřní heterogenitou je tato technika zvláště vhodná pro navrhování nosných konstrukcí a funkčních komponent v biočipech. 2PP umožňuje integraci těchto mikrostrukturních prvků do mikrofluidních uspořádání a poskytuje tak univerzální platformu pro pokročilý vývoj biočipů a aplikace v oblasti tkáňového inženýrství.