Prezentace společného projektu firmy Krystaly, HK, a.s. a Univerzity obrany, Fakulty vojenského zdravotnictví

Hlavní cíl projektu byla tvorba funkčního vzoru pro diagnostiku celiakie a kvantitativní stanovení anti-tTG protilátek, založená na principu reakce antigen-protilátka. Tkáňová transglutaminasa (tTG) je nejvíce využívaný marker při diagnostice celiakie. Celiakie je dědičné onemocnění projevující se chronickým zánětem střevní sliznice a atrofickou střevní sliznicí. Onemocnění se projevuje nesnášenlivostí lepku ve stravě, která musí být upravena a nahrazena stravou bezlepkovou. Projekt se zabýval konstrukcí biosenzoru pro stanovení anti-tTG protilátek z krve pomocí křemenných mikrovážek (QCM – Quartz Crystal Microbalance) na povrchu s vázanou tTG, selektivně vázající anti-tTG protilátek ze vzorku. Metoda je založena na jiném fyzikálním principu stanovení, a využívá křemenných mikrovážek s imobilizovanou tTG. Oproti standardně používané ELISA metodě lze u QCM biosenzoru očekávat výrazné zrychlení a zlevnění, navíc i možnost provádět stanovení v ordinaci nebo doma. Segment trhu zaměřený na produkci piezoelektrických krystalů je stabilní a tento typ výrobků je nezastupitelný v moderních technologiích a výrobě elektronických zařízení. Rizikem by bylo zavedení piezoelektrických součástek založených na jiném materiálu, než je piezoelektrický křemen. Tento projekt je rozšířením portfolia ve směru, kde v současnosti není konkurence, a zavedení produkce tohoto typu analyzátorů pak do budoucna stabilizuje produkci společnosti Krystaly, HK, a.s.  

Metodika a výsledky

Tvorba a optimalizace návrhu křemenného výrobku QCM specifického pro tento projekt, včetně měření. Společnost Krystaly, Hradec Králové, a.s. byla způsobilá prostřednictvím své technologie a vlastního vybavení tyto QCM navrhnout a postupně upravit tak, aby projektu vyhověly. QCM pro účely tohoto projektu byl navržen s vnějším průměrem 20 mm, vzhledem k větší citlivosti, proti menším průměrům QCM, používaných pro jiné aplikace. Veškerý výzkum a vývoj byl v průběhu tohoto období zaměřen na stanovení spolehlivé a opakovatelné technologie výroby. Takovýto sensor nebyl v minulosti běžně vyráběn. Požadovaná frekvence senzoru je stanovena na 10 MHz, a pro aplikaci bylo navrženo, a v průběhu hodnoceného roku ověřováno pokovení Cr + Au. Jako variantní řešení bylo také nabízeno pokovení Cr + Ag. Průměr rezonátoru 20 mm je ve výsledné specifikaci definován jako 19 mm +/- max. 1 mm. K dosažení dostatečné přídržnosti vnější vrstvy Au nebo Ag, je použito základní pokovení chromem. Je použito vakuové pokovení super čistými kovy. Práce byly zaměřeny na výpočty vhodných vrstev, resp. Jejich tlouštěk dle typu zařízení, statistiky pro opakovanou výrobu, a ověřování těchto výsledků pro tvorbu konečné specifikace. Základním materiálem pro tento senzor byl piezoelektrický syntetický křemen SiO2 v potřebné kvalitě a hlavně velikosti. Odlišný výsledný průměr výrobku si vyžadoval rovněž propočet rozměrů základní suroviny, která je z dovozu, a je odlišná od našich běžných požadavků. Tento výsledný rozměr se podařilo stanovit, projednat s dodavatelem suroviny, a hlavně dovézt, validovat výrobou vzorků, a následně ověřit navrženou technologií. Jako poslední část projektu bylo měření parametrů těchto nově vyvinutých senzorů průměru 20 mm u výrobce Krystaly, Hradec Králové, a.s. V průběhu období 2018 vypracovala skupina zainteresovaných pracovníků schéma oscilátoru na měření parametrů, a dokončila vzor, prototyp tohoto měřícího oscilátoru. Ve firmě Krystaly, HK, a.s., kde jsou standartně zaručovány opakovaně reprodukovatelné parametry, byl zahájen i výzkum a vývoj držáku pro QCM pro opakované použití, a byly ověřovány díly pro tento držák.

Vznikl set:

• držák pro vkládání monitoru
• oscilátor pro měření frekvence – možnost připojení na zobrazovací jednotku

Výstupy/výsledky daného období (2017-2019)

Společnost Krystaly zajistila produkci QCM senzorů podle potřeby řešitelského týmu. Univerzita obrany zajistila ověření funkčnosti senzoru v podmínkách reálného vzorku a porovnala získané výsledky s výsledky získaných referenční metodou. Obě instituce spolupracovaly na tvorbě funkčního vzorku. Funkčnost celého projektu použitelného ve zdravotnictví byla zajištěna poslední vrstvou nanešenou na senzor. Byla vyvinuta fakultou a tamtéž aplikována. Po reakci se vzorkem krve a změření uloženého monitoru je výslednou hodnotou změna frekvence zobrazená na čítači. Přibližná funkce viz obr. prezentace.

Výsledek je rychlé vyhodnocení – ANO / NE

Set používaný pro tuto aplikaci nabídneme i pro jiné možnosti např.:

• výuková zařízení pro školy
• výzkumné ústavy
• a jiné – aplikace měření mikrováhy čehokoliv

 

Dosud publikované výsledky

• Publikace Piezoelectric Immunosensor for Tissue Transglutaminase Antibodies Determination for Celiac Disease Diagnostic and Comparison with ELISA Method, Int. J. Elecrochem. Sci., 15 (2020) 5154 – 5165, doi: 10.20964 / 2020.06.36
• Publikace Overview of Piezoelectric Biosensors, Immunosensors and DNA Sensors and Their Applications, Materials 2018, 11, 448; doi: 10.3390 / ma11030448
• Publikace The Determination of Human Albumin by a Quartz Crystal Microbalance Immunosensor, J. Electrochem. Sci., 13 (2018) 8471 – 8480, doi: 10.20964 /2018.09.14