Miliardy dolarów strat — oto roczny koszt subklinicznego zapalenia sutka dla światowego przemysłu mleczarskiego. Jaka jest główna trudność? Ta forma choroby jest ukryta.
Krowy wyglądają na zdrowe. Wymię nie pęcznieje, mleko nie koaguluje w grudki. Kliniczne zapalenie sutka objawia się jawnie, natomiast postać podkliniczna działa w ukryciu, niszcząc jakość mleka i zdrowie zwierzęcia od wewnątrz. Zanim tradycyjne metody (takie jak test kalifornijski, który wymaga czasu i cierpliwości laboratorium) wykryją problem, wyrządzono już znaczne szkody. Doktor Azahar Ali z Virginia Tech cały czas doświadcza tego błędnego koła. Z powodu opóźnień w diagnozie traci się miliony środków.
Wygląda na to, że już nie.
Ali i jego zespół stworzyli nowe rozwiązanie. Nazwali go 2.5D MiSENSE (Microarchitected Sensing ElectroDE). Jest wielkości monety. Drukowane. Tani. Zamienia surowe mleko w natychmiastowe narzędzie diagnostyczne bezpośrednio w gospodarstwie, eliminując potrzebę oczekiwania na wyniki z laboratorium.
Sekret nie tkwi w drogiej produkcji w czystych pomieszczeniach, ale w inteligentnym druku i niestandardowej chemii.
„Udało nam się osiągnąć wysoką wydajność bioczujników bez konieczności korzystania z drogich, czystych pomieszczeń” – mówi Matin Ataei Kachuei, absolwent Virginia Tech.
Czujnik wykrywa specyficzny enzym NAG (N-acetylo-β-D-glukozaminidazę). Jest biomarkerem stanu zapalnego występującego w organizmie nawet wtedy, gdy objawy nie są widoczne gołym okiem. Wykrywając go we wczesnym stadium, można zatrzymać postęp choroby. Opóźnienie prowadzi do utraty mleka i zagrożenia dla zwierzęcia. Obecnym wąskim gardłem była wrażliwość: surowe mleko jest materiałem złożonym i hałaśliwym, a stężenie NAG na wczesnych etapach jest bardzo niskie.
Inżynierowie rozwiązali problem wrażliwości poprzez kształt.
Wydrukowali elektrodę w 3D, tworząc na niej mikroskopijne grzbiety i piramidy – maleńkie struktury o szerokości około 80 mikronów. Elementy te mieszczą się pomiędzy standardową dwuwymiarową powierzchnią a trójwymiarową objętością. Stąd nazwa 2.5D. Ta pionowa powłoka reliefowa zwiększa powierzchnię i aktywnie kieruje cząsteczki do punktu detekcji. Dyfuzja zachodzi szybciej. Wynik jest szybszy.
Aby skutecznie pracować z samym mlekiem, pokryli te krawędzie MXene, beztlenowym elektrokatalizatorem, który pomaga utrzymać na miejscu przeciwciała będące biomarkerami. Ponieważ surowe mleko jest brudną próbką, surowe dane sygnałowe są przetwarzane przez algorytmy uczenia maszynowego. Kod oddziela sygnał użyteczny od szumu. Zdrowa krowa czy chora krowa? Urządzenie można rozwiązać w ciągu kilku minut.
Co dalej?
Oczekuje się, że na tym etapie powłoki nanowarstwowe staną się bardziej odporne na trudne warunki rolnicze. Przenośne czytniki są w fazie rozwoju. Plan rozwoju zakłada integrację z automatycznymi systemami udoju i detekcję wielu markerów jednocześnie. Przed nami zakrojone na szeroką skalę testy terenowe.
Czy jutro będzie to używane we wszystkich oborach? Prawdopodobnie nie. Jednak w tym przypadku technologia dostosowuje się do środowiska, zamiast zmuszać środowisko do dostosowania się do technologii.
