來自麻省理工學(xué)院的工程師和生物學(xué)家通過合作，設(shè)計(jì)出一種“活性材料”——植入了活細(xì)胞的水凝膠片，這種水凝膠片質(zhì)地堅(jiān)韌、富有彈性且具有生物相容性，植入的細(xì)胞經(jīng)基因修飾，當(dāng)遇到特定的化學(xué)物質(zhì)時(shí)會發(fā)光。
在本周發(fā)表于《美國國家科學(xué)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(xué)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(xì)菌的存活并保持活性。如圖所示，當(dāng)細(xì)菌對特定的化學(xué)物質(zhì)做出響應(yīng)時(shí)，細(xì)菌在基因作用下會發(fā)出光亮。
該團(tuán)隊(duì)利用植入細(xì)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(dāng)指尖觸摸受化學(xué)物質(zhì)污染的表面時(shí)，會發(fā)出光澤。還制作了一種繃帶，當(dāng)貼在沾有化學(xué)物質(zhì)的人體皮膚上時(shí)，會變得閃閃發(fā)亮。
MIT機(jī)械工程系副教授趙選賀表示，他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)的活性材料在檢測化學(xué)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(xué)，從污染監(jiān)測到醫(yī)療診斷等領(lǐng)域。
“通過這種設(shè)計(jì)，人們可以在裝置中放入不同類型的細(xì)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(jì)算機(jī)科學(xué)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(xué)小組的同事專門從事生物電路研究，對活細(xì)胞(如大腸桿菌)內(nèi)的生物質(zhì)進(jìn)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(xué)家可以重新設(shè)計(jì)細(xì)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(xì)胞大多僅能在培養(yǎng)皿中存活，科學(xué)家可以小心地控制培養(yǎng)皿中保持細(xì)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(xì)胞，使它們能存活下來并執(zhí)行一定的功能。”Lu說，“培養(yǎng)細(xì)胞需要濕度、營養(yǎng)，一些還需要氧氣。第二個(gè)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(xì)胞的冷凍干燥后的化學(xué)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(rèn)為，提取物不像活細(xì)胞那樣，可以在較長時(shí)間內(nèi)保持其功能，并且在檢測病原體時(shí)有更高的的靈敏度。
其他科研團(tuán)隊(duì)已將心肌細(xì)胞接種到橡膠薄膜上以制造軟的、“活的”執(zhí)行器或機(jī)器人。然而，當(dāng)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(xì)胞的泄漏。
生氣勃勃的細(xì)胞宿主
趙教授的小組在MIT的活性軟材料實(shí)驗(yàn)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(xì)胞的理想選擇。
過去幾年里，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)提出了多種水凝膠配方，在他們最新的設(shè)計(jì)中，含水量竟高達(dá)95%。趙教授和Lu一致認(rèn)為，這種含水材料很適合構(gòu)成維持活細(xì)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(xì)胞。
兩個(gè)團(tuán)隊(duì)通過合作，成功將Lu的基因重組細(xì)菌細(xì)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(jìn)入。最后，他們將大腸桿菌細(xì)胞注入水凝膠的通道中。當(dāng)某些化學(xué)物質(zhì)透過水凝膠與細(xì)胞接觸時(shí)，細(xì)胞會按設(shè)計(jì)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(xì)菌細(xì)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(gè)獨(dú)立窄通道的材料，每個(gè)通道包含一種細(xì)菌，每種細(xì)菌被設(shè)計(jì)成可響應(yīng)不同的化學(xué)物質(zhì)，并會發(fā)出綠光。結(jié)果毫無疑問，四個(gè)通道在暴露于各細(xì)菌對應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)時(shí)都成功點(diǎn)亮。
接下來，團(tuán)隊(duì)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(xì)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(gè)水凝膠/彈性體手套，并在指尖設(shè)計(jì)了漩渦狀通道，每個(gè)通道填充響應(yīng)不同化學(xué)物質(zhì)的細(xì)菌細(xì)胞。每個(gè)指尖在捏取浸有不同化合物的棉球時(shí)，都對應(yīng)地做出了響應(yīng)，發(fā)出輝光。
該團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一個(gè)理論模型，以幫助指導(dǎo)他人設(shè)計(jì)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(jì)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(xì)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(xué)感應(yīng)水凝膠的橡膠鞋底，或繃帶、貼片、甚至服裝等等。
這項(xiàng)研究得到海軍研究室、國家科學(xué)基金會和國家衛(wèi)生研究院的部分支持。