MIT科学家开发出可穿戴活性传感器

苏子言岁月
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 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。

麻省理工学院科学家开发出可穿戴活性传感器

“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。

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