RF-mikroaaltoanturien kehitys solujen ja ihmisen in vitro ja ex vivo monitorointiin

Väitöskirjassa kehitettiin ihmisen mittaamiseen soveltuvia antureita useaan eri käyttötilanteeseen. Anturit perustuivat sirulle integroituun RF-anturiin ja erilaisiin mikroaaltoperustaisiin resonaattoreihin ja niitä testattiin mm. soluviljelmän, veden suolapitoisuuden ihmiskehon suolapitoisuuksien tasoilla ja keinotekoisen ihon mittauksessa nestetasapainon muutoksia simuloiden.

Modernit aktiivisuusmittarit, urheilukellot tai sormukset mittaavat lukuisia eri asioita ihmisen toiminnasta, kuten esimerkiksi sykettä, liikettä, matkaa ja unta. Näiden toimintojen mittaukset perustuvat pohjimmiltaan antureihin mm. kehon optisen vasteen ja kiihtyvyyden mittaukseen sekä paikan mittaamiseen GPS antennin kautta. Aktiivisuusmittauksien pohjalla on aina antureiden tuottama tieto, josta jatkopäätelmät tehdään, kuten esimerkiksi suorituskyky juoksulenkillä tai unen laadunmittaus edistyneillä algoritmeilla, syke- ja kiihtyvyysanturien datasta. Samoilla periaatteilla voidaan myös mitata elämän perusosaa, solua. Soluviljelmässä olevan solun tilaa kuvaavan signaalin kautta sen elämää voidaan seurata jatkuvatoimisesti koko elinkaaren ajan. Tällöin voidaan tutkia esimerkiksi uusien lääkkeiden tai haitallisten aineiden vaikutuksia soluun erityyppisissä tilanteissa.

Väitöstyön tutkimuksissa käytettiin kustomoitua piipohjaista sirua bioanturina, missä sirulle integroitujen anturien avulla solujen elämän vaiheita voitiin muuntaa sähköiseksi signaaliksi ja seurata sitä reaaliajassa. Haasteena oli kuitenkin ”märkien” biologisten aineiden yhdistäminen ”kuivan” elektroniikan kanssa solujen elinolosuhdevaatimusten takia. Ongelman ratkaisu löytyi työssä kehitetystä keraamiin perustuvasta pakkaustekniikasta, jonka avulla sirua voitiin hyödyntää soluviljelmän mittaukseen luotettavasti hyvin pitkiä aikoja. Tulevaisuudessa tällaisilla mittausjärjestelmillä voidaan korvata perinteisiä optiseen tarkasteluun perustuvia menetelmiä, missä käytetään muun muassa soluja värjääviä aineita.

Lisäksi väitöstyössä kehitettiin järjestelmä, jolla voidaan tutkia esim. kehon nesteiden koostumusta. Järjestelmä perustui mikroaaltoanturin ja mikrofluidistiikan yhdistelmään, mikä mahdollistaa hyvin pienten nestemäärien liikuttelun tarpeellisella tavalla ja näytteen sähköisten (dielektristen) arvojen mittauksen ja muutosten tutkimisen. Työssä kehitettiin systeemi, jolla voitiin määritellä ja seurata yhdestä mikrolitrasta nestettä (veritippa on noin 50 µl) sen suolapitoisuutta, mikä vaihteli samassa määrin kuin ihmiskehossa. Väitöstyössä keskityttiin myös nestetasapainon mittaukseen reaaliaikaisesti ja ei-invasiivisesti. Työssä kehitettiin mittausta varten pienikokoinen rengasoskillaattoriin perustuva mikroaaltoanturi. Sen toimintaa testattiin laboratoriossa valmistettujen keinoihojen avulla, jotka vastasivat ominaisuuksiltaan oikeaa ihoa kehon eri nestetasapainotilanteissa. Tulevaisuuden älykelloissa nestetasapainon mittaus voisi olla hyödyllinen täysin uusi ominaisuus aiempien toiminnallisuuksien rinnalle, jos se kyetään miniatyrisoimaan riittävälle tasolle.