新型フェイスマスク試作機、高性能センサーで90分でCOVID-19診断

エンジニアたちが、装着者を約90分でCOVID-19診断できる新型フェイスマスクを設計しました。マスクには小型の使い捨てセンサーが組み込まれ、他のフェイスマスクにも取り付け可能で、他のウイルス検出にも適応できます。

センサーは、研究チームが以前エボラやジカなどのウイルス用紙診断で開発した、凍結乾燥した細胞機構に基づいています。新しい研究で、チームはセンサーをフェイスマスクだけでなく、白衣などの衣類にも組み込めることを示し、医療従事者のさまざまな病原体や脅威への曝露を監視する新しい方法を提示しました。

チームは、ウイルスやバクテリアの核酸、神経毒などの有毒化学物質を検出する幅広い合成生物学センサーを凍結乾燥できることを実証しました。フェイスマスクセンサーは、装着者がテスト実行準備ができたときに作動させられ、結果はマスクの内側にのみ表示されるためユーザープライバシーが守られます。

特定の標的分子に反応する合成遺伝子ネットワークを作るために必要なタンパク質と核酸を紙に埋め込めます。SHERLOCKと呼ばれる別の非細胞センサーシステムはCRISPR酵素ベースで、核酸の高感度検出を可能にします。

これらの非細胞回路成分は凍結乾燥され、再水和されるまで数か月安定です。水で活性化されると、標的分子（あらゆるRNAやDNA配列、その他の分子タイプ）と相互作用し、色変化などの信号を生成します。研究者たちはこれらのセンサーを繊維に組み込む研究を始め、医療従事者や病原体曝露リスクのある人々向けの白衣作成を目指しました。

まず、綿、ポリエステル、ウール、シルクなど数百種類の生地をスクリーニングし、どれがこの種のセンサーと相性が良いかを調べました。最適だったのはポリエステルと他の合成繊維の組み合わせでした。ウェアラブルセンサーを作るため、研究者たちは凍結乾燥成分をこの合成生地の小さな区画に埋め込み、シリコーンエラストマーのリングで囲みました。この区画化により、サンプルが蒸発したりセンサーから拡散したりするのを防ぎます。技術実証のため、約30個のセンサーを埋め込んだジャケットを作りました。

ウイルス粒子を含む少量の液体が飛び散ることで、感染患者への曝露を模倣すると、凍結乾燥細胞成分が水和されセンサーが活性化します。センサーは肉眼で見える色変化、または携帯用分光計で読み取れる蛍光・発光信号など、さまざまなタイプの信号を出すよう設計できます。またウェアラブル分光計を生地に統合し、結果を読み取ってモバイルデバイスへ無線送信することも設計しました。

診断用フェイスマスクを作るため、チームは凍結乾燥SHERLOCKセンサーを紙マスクに埋め込みました。ウェアラブルセンサーと同様、凍結乾燥成分はシリコーンエラストマーで囲まれています。この場合、センサーはマスクの内側に配置され、装着者の呼気中のウイルス粒子を検出します。

マスクには小さな水タンクもあり、装着者がテスト準備できたらボタンを押すと水が放出されます。これによりSARS-CoV-2センサーの凍結乾燥成分が水和され、マスク内側に蓄積した呼気飛沫を分析し、90分以内に結果を出します。

試作機には、ユーザーの状態を検出する内側センサーと、環境からの曝露を検出する衣類外側センサーの両方があります。研究者たちはインフルエンザ、エボラ、ジカなど他の病原体用センサーや、有機リン系神経剤検出用センサーも切り替え可能です。