麻省理工學院科學家開發(fā)出可穿戴活性傳感器

 來自麻省理工學院的工程師和生物學家通過合作，設(shè)計出一種“活性材料”——植入了活細胞的水凝膠片，這種水凝膠片質(zhì)地堅韌、富有彈性且具有生物相容性，植入的細胞經(jīng)基因修飾，當遇到特定的化學物質(zhì)時會發(fā)光。

在本周發(fā)表于《美國國家科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上的論文中，研究人員論證了這種材料作為新型傳感器，用以監(jiān)測環(huán)境或人體中的化學物質(zhì)的巨大潛力。

研究人員發(fā)現(xiàn)，水凝膠富含水分的環(huán)境，有助于營養(yǎng)物的保持和轉(zhuǎn)基因細菌的存活并保持活性。如圖所示，當細菌對特定的化學物質(zhì)做出響應(yīng)時，細菌在基因作用下會發(fā)出光亮。

該團隊利用植入細胞的水凝膠制作了多種可穿戴傳感器，包括一只橡膠手套，當指尖觸摸受化學物質(zhì)污染的表面時，會發(fā)出光澤。還制作了一種繃帶，當貼在沾有化學物質(zhì)的人體皮膚上時，會變得閃閃發(fā)亮。

MIT機械工程系副教授趙選賀表示，他的團隊開發(fā)的活性材料在檢測化學物質(zhì)和污染物方面有廣闊的應(yīng)用空間。例如，從犯罪現(xiàn)場調(diào)查到法醫(yī)科學，從污染監(jiān)測到醫(yī)療診斷等領(lǐng)域。

“通過這種設(shè)計，人們可以在裝置中放入不同類型的細菌，以指示環(huán)境中的毒素或皮膚上的疾病。”生物工程和電氣工程與計算機科學副教授Timothy Lu指出，“我們的成果展示了活性材料及相關(guān)裝置的應(yīng)用潛力。”

給材料注入生命

Lu和他在MIT合成生物學小組的同事專門從事生物電路研究，對活細胞(如大腸桿菌)內(nèi)的生物質(zhì)進行基因重組，使其能有序地發(fā)揮作用，這非常像電路中的邏輯步驟。利用此方法，科學家可以重新設(shè)計細胞以執(zhí)行特定功能，例如感知病毒和毒素的存在并發(fā)出信號。

然而，這些新的轉(zhuǎn)基因細胞大多僅能在培養(yǎng)皿中存活，科學家可以小心地控制培養(yǎng)皿中保持細胞活性所需的各種營養(yǎng)水平——而這種環(huán)境條件想要復(fù)制到合成材料中則是極為困難的。

“制造活性材料所面臨的首要挑戰(zhàn)是，如何培養(yǎng)這些活細胞，使它們能存活下來并執(zhí)行一定的功能。”Lu說，“培養(yǎng)細胞需要濕度、營養(yǎng)，一些還需要氧氣。第二個挑戰(zhàn)則是如何防止它們從材料中流失。”

為了應(yīng)對這些攔路石，其他研究人員使用來自基因工程細胞的冷凍干燥后的化學提取物，并將它們結(jié)合到紙上，以產(chǎn)生低成本的病毒檢測診斷試紙。但是Lu認為，提取物不像活細胞那樣，可以在較長時間內(nèi)保持其功能，并且在檢測病原體時有更高的的靈敏度。

其他科研團隊已將心肌細胞接種到橡膠薄膜上以制造軟的、“活的”執(zhí)行器或機器人。然而，當經(jīng)過反復(fù)彎曲后，這些膜材料可能發(fā)生破裂，從而導(dǎo)致活細胞的泄漏。

生氣勃勃的細胞宿主

趙教授的小組在MIT的活性軟材料實驗室開發(fā)了一種新材料——水凝膠，這是一種由聚合物和水混合行成的高韌性、高彈性的生物相容性材料，有可能是宿主活細胞的理想選擇。

過去幾年里，該團隊已經(jīng)提出了多種水凝膠配方，在他們最新的設(shè)計中，含水量竟高達95%。趙教授和Lu一致認為，這種含水材料很適合構(gòu)成維持活細胞生存的環(huán)境。該材料甚至在反復(fù)拉伸后也不易開裂——這一特征非常有利于容納活性細胞。

兩個團隊通過合作，成功將Lu的基因重組細菌細胞融入到Zhao的水凝膠片材料中。他們首先使用3-D打印技術(shù)做出水凝膠層，然后利用微成型技術(shù)在水凝膠層上做出特定圖案的窄通道。隨后，將水凝膠結(jié)合到彈性體層或橡膠層上，所述彈性體或橡膠必須有足夠的孔隙率，以保證氧氣能夠進入。最后，他們將大腸桿菌細胞注入水凝膠的通道中。當某些化學物質(zhì)透過水凝膠與細胞接觸時，細胞會按設(shè)計的基因功能發(fā)出熒光或發(fā)亮。這種情況下產(chǎn)生一種叫做DAPG的物質(zhì)。

然后，研究人員將水凝膠/彈性體材料浸泡在營養(yǎng)液中，使水凝膠注滿營養(yǎng)成分，從而保證其中的細菌細胞可存活數(shù)日。

為了證明該材料的潛在用途，研究人員首先制造了一片具有四個獨立窄通道的材料，每個通道包含一種細菌，每種細菌被設(shè)計成可響應(yīng)不同的化學物質(zhì)，并會發(fā)出綠光。結(jié)果毫無疑問，四個通道在暴露于各細菌對應(yīng)的化學物質(zhì)時都成功點亮。

接下來，團隊將材料制成繃帶或“活性貼”，其中圖案化的通道中含有對鼠李糖(天然存在的糖)敏感的細菌。研究人員用浸泡了鼠李糖的棉球擦拭志愿者的手腕，然后貼上水凝膠貼片，“活性貼”一經(jīng)與皮膚接觸就做出響應(yīng)，開始發(fā)光。

最后，研究人員制做了一個水凝膠/彈性體手套，并在指尖設(shè)計了漩渦狀通道，每個通道填充響應(yīng)不同化學物質(zhì)的細菌細胞。每個指尖在捏取浸有不同化合物的棉球時，都對應(yīng)地做出了響應(yīng)，發(fā)出輝光。

該團隊還開發(fā)了一個理論模型，以幫助指導(dǎo)他人設(shè)計類似的活性材料和裝置。

“理論模型能幫助我們更有效地設(shè)計出活性裝置。”Zhao說，“它會告訴你水凝膠層應(yīng)該有多厚，通道之間的距離是多少，如何做通道圖案以及使用多少細菌等信息。”

趙教授在最后設(shè)想了未來各種可能由活性材料制成的產(chǎn)品，例如，擁有檢測感染或疾病跡象的手套，襯有化學感應(yīng)水凝膠的橡膠鞋底，或繃帶、貼片、甚至服裝等等。

這項研究得到海軍研究室、國家科學基金會和國家衛(wèi)生研究院的部分支持。