バイオアクティブ紙

バイオアクティブペーパーは、食品や水中のさまざまな汚染物質を識別できる紙ベースのセンサーです。2009年に初めて開発されたバイオアクティブペーパーの研究は継続しており、2011年には5年間で総額750万カナダドルの助成金が授与されました。^[1]バイオセンサー段階のレベルで開発されており、農薬を検出できますが^[2]、毒素を撃退して不活性化することはまだできません。しかし、潜在的な危険を検出する能力は、人間の健康と安全に応用できます。^[3]バイオアクティブペーパーの利点は、シンプルで持ち運びやすく、使い捨てで、安価であることです。^[4]

バイオアクティブペーパーは、研究者、産業界、大学、パートナー、学生のコンソーシアムであるカナダのセンチネルバイオアクティブペーパーネットワークによって開発されました。^{[1]このネットワークは}、オンタリオ州ハミルトンのマクマスター大学が主催し、科学ディレクターのロバートペルトン博士とマネージングディレクターのジョージローゼンバーグ博士が率いています。

マクマスター大学のジョン・ブレナンと彼の研究チームは、抗体、酵素、アプタマー、バクテリオファージの組み合わせに基づく汚染物質検出バイオセンサーを紙の構造に印刷することで、生物活性紙を作成する方法を開発しました。^[1]これらの組み合わせは、病原体やその他の汚染物質に付着し、検出可能な反応を引き起こします。生物学的に活性な化学物質は「インク」の形をしており、既存の製紙および高速印刷プロセスを使用して紙に印刷、コーティング、または含浸させることができます。このインクは、さまざまな層にコーティングされています。このインクは、通常のコンピューターのプリントカートリッジに見られるものと似ていますが、生体適合性を持たせる特別な添加物が入っています。

これは生体適合性のシリカナノ粒子から成り、最初に紙の上に堆積され、次に酵素を含む別のインクが塗布されます。バイオインクの結果、紙の上のシリカに閉じ込められた酵素の薄い膜が形成されます。^[5] 紙が毒素にさらされると、サンプル内の毒素の量に基づいてインクの分子の色が変わります。

バイオアクティブペーパーはまだ一般には販売されていないが、商品化は近づいている。バイオアクティブペーパーは保存期間も長い。研究者らは、この紙片は適切に保管すれば少なくとも2か月は有効に使用できると述べている。

バイオアクティブ紙の現在の用途の1つは、アセチルコリンエステラーゼや神経ガスを検出できるため、バイオテロや食品の安全性に応用できます。^[3]この進歩により、バイオアクティブ紙は軍隊や包装産業にとって興味深い製品になりました。^[3]バイオアクティブ紙のさらなる用途を開発する取り組みが進行中ですが、現在、バイオアクティブ紙の使用と研究には、サンプル調整用の紙ベースのバイオアッセイまたは紙ベースの分析デバイス、食品と水質の監視のための病原体検出、包装および建設業界における偽造とカウンターテンパリング、抗菌紙を使用した病原菌の不活性化の4つの主要な分野があります。^[5]

米国では毎年約 7,600 万件の食中毒が発生し、325,000 人以上が入院し、5,000 人が死亡しています [Mead ら、1999]。これらの病気のほとんどは、カンピロバクター、サルモネラ、大腸菌 O157:H7、リステリア モノサイトゲネスによって引き起こされます。その結果、これらの病原体に関連する年間医療費は現在 70 億米ドルを超えています。消費者教育と食品中の信頼性が高く簡単な病原体検出を組み合わせることが、これらの病気の発生頻度を大幅に減らす最善の方法です。

最新の開発では、食品を洗浄した後でも農薬を検出できるようになりました。この革新は、安価なため食品に禁止されている農薬を使用している可能性のある 発展途上国にとってメリットとなります。

発展途上国では、水質に疑問があることが多く、地元の人々は飲料水を作るために不衛生な布を使用するなど、原始的な濾過システムを試みざるを得ません。この方法は明らかに信頼性が低く、特に洪水やその他の自然災害の後は、飲用に安全な結果になることはほとんどありません。小さな容器の水に浸すと病原菌を除去し、使用者に水が安全に使用できることを色で知らせることができる生物活性紙の利点を考えてみましょう。

生物活性紙のもうひとつの潜在的な用途としては、ウイルスを積極的に結合し、フィルター表面に固定してフィルターの細孔を通過するのを防ぎ、医療従事者を保護するフェイスマスクの作成が挙げられます。

特定の成分を簡単に検査できるため、包装業界ではバイオアクティブ紙の利用が注目されています。特に、企業は偽造品や改ざんを検出する方法としてバイオアクティブ紙を検討しています。^[4]その他の用途としては、微生物の検出や抗菌性の可能性などがあります。^[4]

• Hossain, SMZ; Luckham RE; Smith, AM; Lebert, JM; Davies, LM; Pelton, R.; Filipe, CDM; Brennan, JD「ゾルゲル由来バイオインクの圧電インクジェット印刷を使用した神経毒検出用の生物活性紙センサーの開発」Anal. Chem.、2009年、掲載予定。
• Jabrane, T.;Dube M.; Mangin, PJ「紙表面へのバクテリオファージの固定化：カチオン性プレコート層の効果」PAPTAC第95回年次会議、モントリオール、2009年、pp 311-315。
• Pelton, R. 「バイオアクティブペーパー - 診断のための低コストプラットフォーム」 Trends Anal. Chem. 2009、掲載予定。
• Zhao, WA; Ali, MM; Aguirre, SD; Brook, MA; Li, YF「金ナノ粒子比色プローブを使用した紙ベースのバイオアッセイ」Anal. Chem., 2008, 80 (22): 8431-8437。
• Zhao, W.; Brook, MA; Li, YF「金ナノ粒子ベースの比色バイオセンシングアッセイの設計」ChemBioChem、2008、9（15）、2363-2371。
• Zhao, W.; Chiuman, W.; Lam JCF; Mcmanus, SA; Chen, W.; Cui, Y; Pelton, R.; Brook, MA; Li, Y.「金ナノ粒子上でのDNAアプタマーの折り畳み：コロイド化学からバイオセンサーまで」J. Am. Chem., 2008, 130 (11): 3610-3618.