Novel Graphene-based Label-free Biosensor Array for Smart Health and Drug Discovery

用于智能健康和药物发现的新型基于石墨烯的无标记生物传感器阵列

基本信息

  • 批准号:
    1606882
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 33万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2016
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2016-05-15 至 2022-04-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

PI: Koley, Goutam Proposal Number: 1606882 The goal is to develop bio-implantable sensors utilizing the unique material properties of graphene and boron nitride, which would offer much higher sensitivity for detecting concentration of various ions in blood and tissue in real time, enabling prediction of the onset of disease states before their clinical manifestation. The project activities would integrate research with education and training of high school, undergraduate and graduate students, with significant minority participation. The overall goal of the proposed research is to develop novel graphene-based flexible ion-sensitive field effect transistor (ISFET) sensors for the measurement of K+, Ca2+ and Na+ ion concentrations and correlated ion fluxes in cardiomyocytes and glial cells, with the overall objective of developing a new approach for assaying cell membrane ion transport in primary cell culture. The detection of the aforementioned ions is clinically significant as they serve as important bio-markers for onset of myocardial ischemia and epilepsy. The proposed graphene ISFET sensor array will enable critical understanding of K+, Ca2+ and Na+ membrane transport in glial cells and cardiomyocytes. The approach of ISFET development utilizing the novel properties of boron nitride and graphene addresses several critical issues including: (i) the complicacy, low throughput and cell invasiveness issues of patch clamp and microelectrode array based techniques, and (ii) the low sensitivity and degradation of commercially available Si-based ISFETs. The experimental plan includes growing cells directly on graphene and performing continuous, real-time and label-free measurements of ion fluxes in cardiomyocytes and glial cells. The measurements acquired are expected to provide electrophysiological properties of primary cells in culture, especially regulatory and drug-induced changes in their electrical properties. Successful completion would result in the development of useful ISFET sensors for in vivo detection of the onset of myocardial ischemia and epilepsy. As part of the educational and outreach activities, the PIs would each involve at least one undergraduate and one high school student to work on this project every year focusing strongly on recruiting minority students. The PIs would also integrate research results in a graduate course, and disseminate them through conference participation as well as research websites. 
PI:Koley,Goutam 提案编号:1606882 目标是利用石墨烯和氮化硼的独特材料特性开发生物植入传感器,这将为实时检测血液和组织中的各种离子浓度提供更高的灵敏度,从而使在临床表现之前预测疾病状态的发生。 该项目活动将把研究与高中生、本科生和研究生的教育和培训结合起来,并有大量少数族裔参与。该研究的总体目标是开发新型基于石墨烯的柔性离子敏感场效应晶体管(ISFET)传感器,用于测量心肌细胞和神经胶质细胞中的 K+、Ca2+ 和 Na+ 离子浓度以及相关离子通量,总体目标开发一种在原代细胞培养物中测定细胞膜离子转运的新方法。上述离子的检测具有临床意义,因为它们是心肌缺血和癫痫发作的重要生物标志物。 所提出的石墨烯 ISFET 传感器阵列将使人们能够对神经胶质细胞和心肌细胞中的 K+、Ca2+ 和 Na+ 膜转运有重要的了解。利用氮化硼和石墨烯的新颖特性开发 ISFET 的方法解决了几个关键问题,包括:(i) 基于膜片钳和微电极阵列的技术的复杂性、低通量和细胞侵袭问题,以及 (ii) 低灵敏度和退化市售的硅基 ISFET。实验计划包括直接在石墨烯上生长细胞,并对心肌细胞和神经胶质细胞中的离子通量进行连续、实时和无标记的测量。 所获得的测量结果有望提供培养中原代细胞的电生理特性,特别是调节和药物诱导的电特性变化。 成功完成将导致有用的 ISFET 传感器的开发,用于体内检测心肌缺血和癫痫的发作。作为教育和推广活动的一部分,每个 PI 每年将至少让一名本科生和一名高中生参与该项目,重点关注招收少数族裔学生。 PI 还将把研究成果整合到研究生课程中,并通过会议参与和研究网站进行传播。

项目成果

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