麻省理工学院科学家开发出可穿戴活性传感器
2017-02-20 佚名 DeepTech深科技
来自麻省理工学院的工程师和生物学家通过合作，设计出一种“活性材料”——植入了活细胞的水凝胶片，这种水凝胶片质地坚韧、富有弹性且具有生物相容性，植入的细胞经基因修饰，当遇到特定的化学物质时会发光。 在本周发表于《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上的论文中，研究人员论证了这种材料作为新型传感器，用以监测
来自麻省理工学院的工程师和生物学家通过合作，设计出一种“活性材料”——植入了活细胞的水凝胶片，这种水凝胶片质地坚韧、富有弹性且具有生物相容性，植入的细胞经基因修饰，当遇到特定的化学物质时会发光。
在本周发表于《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上的论文中，研究人员论证了这种材料作为新型传感器，用以监测环境或人体中的化学物质的巨大潜力。
研究人员发现，水凝胶富含水分的环境，有助于营养物的保持和转基因细菌的存活并保持活性。如图所示，当细菌对特定的化学物质做出响应时，细菌在基因作用下会发出光亮。
该团队利用植入细胞的水凝胶制作了多种可穿戴传感器，包括一只橡胶手套，当指尖触摸受化学物质污染的表面时，会发出光泽。还制作了一种绷带，当贴在沾有化学物质的人体皮肤上时，会变得闪闪发亮。
MIT机械工程系副教授赵选贺表示，他的团队开发的活性材料在检测化学物质和污染物方面有广阔的应用空间。例如，从犯罪现场调查到法医科学，从污染监测到医疗诊断等领域。
“通过这种设计，人们可以在装置中放入不同类型的细菌，以指示环境中的毒素或皮肤上的疾病。”生物工程和电气工程与计算机科学副教授Timothy Lu指出，“我们的成果展示了活性材料及相关装置的应用潜力。”
给材料注入生命
Lu和他在MIT合成生物学小组的同事专门从事生物电路研究，对活细胞（如大肠杆菌）内的生物质进行基因重组，使其能有序地发挥作用，这非常像电路中的逻辑步骤。利用此方法，科学家可以重新设计细胞以执行特定功能，例如感知病毒和毒素的存在并发出信号。
然而，这些新的转基因细胞大多仅能在培养皿中存活，科学家可以小心地控制培养皿中保持细胞活性所需的各种营养水平——而这种环境条件想要复制到合成材料中则是极为困难的。
“制造活性材料所面临的首要挑战是，如何培养这些活细胞，使它们能存活下来并执行一定的功能。”Lu说，“培养细胞需要湿度、营养，一些还需要氧气。第二个挑战则是如何防止它们从材料中流失。”
为了应对这些拦路石，其他研究人员使用来自基因工程细胞的冷冻干燥后的化学提取物，并将它们结合到纸上，以产生低成本的病毒检测诊断试纸。但是Lu认为，提取物不像活细胞那样，可以在较长时间内保持其功能，并且在检测病原体时有更高的的灵敏度。
其他科研团队已将心肌细胞接种到橡胶薄膜上以制造软的、“活的”执行器或机器人。然而，当经过反复弯曲后，这些膜材料可能发生破裂，从而导致活细胞的泄漏。
生气勃勃的细胞宿主
赵教授的小组在MIT的活性软材料实验室开发了一种新材料——水凝胶，这是一种由聚合物和水混合行成的高韧性、高弹性的生物相容性材料，有可能是宿主活细胞的理想选择。
过去几年里，该团队已经提出了多种水凝胶配方，在他们最新的设计中，含水量竟高达95%。赵教授和Lu一致认为，这种含水材料很适合构成维持活细胞生存的环境。该材料甚至在反复拉伸后也不易开裂——这一特征非常有利于容纳活性细胞。
两个团队通过合作，成功将Lu的基因重组细菌细胞融入到Zhao的水凝胶片材料中。他们首先使用3-D打印技术做出水凝胶层，然后利用微成型技术在水凝胶层上做出特定图案的窄通道。随后，将水凝胶结合到弹性体层或橡胶层上，所述弹性体或橡胶必须有足够的孔隙率，以保证氧气能够进入。最后，他们将大肠杆菌细胞注入水凝胶的通道中。当某些化学物质透过水凝胶与细胞接触时，细胞会按设计的基因功能发出荧光或发亮。这种情况下产生一种叫做DAPG的物质。
然后，研究人员将水凝胶/弹性体材料浸泡在营养液中，使水凝胶注满营养成分，从而保证其中的细菌细胞可存活数日。
为了证明该材料的潜在用途，研究人员首先制造了一片具有四个独立窄通道的材料，每个通道包含一种细菌，每种细菌被设计成可响应不同的化学物质，并会发出绿光。结果毫无疑问，四个通道在暴露于各细菌对应的化学物质时都成功点亮。
接下来，团队将材料制成绷带或“活性贴”，其中图案化的通道中含有对鼠李糖（天然存在的糖）敏感的细菌。研究人员用浸泡了鼠李糖的棉球擦拭志愿者的手腕，然后贴上水凝胶贴片，“活性贴”一经与皮肤接触就做出响应，开始发光。
最后，研究人员制做了一个水凝胶/弹性体手套，并在指尖设计了漩涡状通道，每个通道填充响应不同化学物质的细菌细胞。每个指尖在捏取浸有不同化合物的棉球时，都对应地做出了响应，发出辉光。
该团队还开发了一个理论模型，以帮助指导他人设计类似的活性材料和装置。
“理论模型能帮助我们更有效地设计出活性装置。”Zhao说，“它会告诉你水凝胶层应该有多厚，通道之间的距离是多少，如何做通道图案以及使用多少细菌等信息。”
赵教授在最后设想了未来各种可能由活性材料制成的产品，例如，拥有检测感染或疾病迹象的手套，衬有化学感应水凝胶的橡胶鞋底，或绷带、贴片、甚至服装等等。
这项研究得到海军研究室、国家科学基金会和国家卫生研究院的部分支持。
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