麻省理工學(xué)院的工程師和生物學(xué)家聯(lián)手設(shè)計了一種新的“生物材料”，即一種堅硬，可拉伸，具有生物相容性的水凝膠片，其中注入了活細胞，這些活細胞經(jīng)過基因編程，可以在某些化學(xué)物質(zhì)存在時發(fā)光。

在《科學(xué)院院刊》上發(fā)表的一篇論文中，研究人員展示了這種新材料在環(huán)境和人體中感知化學(xué)物質(zhì)的潛力。

該團隊使用注入細胞的水凝膠制造了各種可穿戴傳感器，包括帶有指尖的橡膠手套，該手套在接觸被化學(xué)污染的表面后會發(fā)光，當(dāng)繃帶緊貼著人體皮膚上的化學(xué)物質(zhì)時會發(fā)光。

研究人員發(fā)現(xiàn)，水凝膠的大部分水分環(huán)境有助于保持營養(yǎng)物質(zhì)和程序細菌的存活和活躍。如左圖所示，當(dāng)細菌對某種化學(xué)物質(zhì)起反應(yīng)時，細菌會被編程點亮。圖片由研究人員提供

麻省理工學(xué)院機械工程專業(yè)的羅伯特·N·諾伊斯職業(yè)發(fā)展副教授趙選河說，該小組的生物材料設(shè)計可能適用于感知其他化學(xué)物質(zhì)和污染物，其用途包括現(xiàn)場調(diào)查和法醫(yī)科學(xué)，污染監(jiān)測和醫(yī)療等。診斷。

“通過這種設(shè)計，人們可以在這些設(shè)備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，電氣工程和計算機科學(xué)副教授Timothy Lu說。“我們正在展示生活材料和設(shè)備的潛力。”

該論文的合著者是研究生劉欣悅，唐子杰，譚詠麟，俞賢宇和林紹廷。

在材料中注入生命

麻省理工學(xué)院合成生物學(xué)小組的Lu和他的同事專門研究生物電路，對大腸桿菌等活細胞中的生物部分進行基因重編程，使其按順序協(xié)同工作，就像電路中的邏輯步驟一樣。這樣，科學(xué)家可以對活細胞進行改造，以執(zhí)行特定功能，包括感知和發(fā)出病毒和毒素信號的能力。

但是，這些新編程的細胞中的許多只是在皮氏培養(yǎng)皿中原位證實的，科學(xué)家可以在其中小心控制保持細胞存活和活躍所必需的營養(yǎng)水平-一種在合成材料中極難復(fù)制的環(huán)境。

“制造活體材料的挑戰(zhàn)是如何維護這些活細胞，使其在設(shè)備中可行并發(fā)揮功能，” Lu說。他們需要濕度，養(yǎng)分，有些需要氧氣。第二個挑戰(zhàn)是如何防止他們從材料中逃脫。”

為了繞開這些障礙，其他人使用了來自基因工程細胞的凍干化學(xué)提取物，將其摻入紙張中，以創(chuàng)建低成本的，可檢測病毒的診斷條。盧說，提取物與活細胞不同，活細胞可以在更長的時間內(nèi)保持其功能，并且對病原體的檢測靈敏度更高。

其他小組將心臟肌肉細胞接種到橡膠薄膜上，制成柔軟的，“活著的”執(zhí)行器或機器人。但是，當(dāng)反復(fù)彎曲時，這些薄膜會破裂，從而使活細胞泄漏出去。

一個活潑的主人

麻省理工學(xué)院的軟活性材料實驗室的Zhao研究小組已經(jīng)開發(fā)出一種可能是理想的宿主活細胞的材料。在過去的幾年中，他的團隊提出了各種水凝膠配方-一種由聚合物和水的混合物制成的堅韌，高度可拉伸，生物相容的材料。他們的最新設(shè)計包含高達95%的水，從而為Zhao和Lu認為可能適合維持活細胞的環(huán)境提供了條件。即使反復(fù)拉伸和拉伸，該材料也能抵抗開裂-這種特性可以幫助將細胞包含在材料中。

兩組合作將Lu的基因編程細菌細胞整合到Zhao的水凝膠材料中。他們首先使用3-D打印和微成型技術(shù)制造了水凝膠層，并在層中形成了窄通道圖案。他們將水凝膠熔化到彈性體或橡膠層上，該層的多孔性足以吸收氧氣。然后，他們將大腸桿菌細胞注射到水凝膠的通道中。當(dāng)細胞與通過水凝膠的某些化學(xué)物質(zhì)(在這種情況下為稱為DAPG的天然化合物)接觸時，可以對細胞進行編程以發(fā)出熒光或發(fā)光。

然后，研究人員將水凝膠/彈性體材料浸泡在營養(yǎng)液中，并注入整個水凝膠中，并幫助細菌細胞保持活躍和活躍數(shù)天。

為了證明這種材料的潛在用途，研究人員首先用四個分離的狹窄通道制作了一片材料，每個通道都包含一種細菌，這些細菌經(jīng)過改造后可以對不同的化學(xué)化合物發(fā)出綠色光。他們發(fā)現(xiàn)每個通道在暴露于其各自的化學(xué)物質(zhì)后都能可靠地點亮。

接下來，研究小組將材料制成繃帶或“活體貼片”，其圖案上含有對鼠李糖(一種天然存在的糖)敏感的細菌的通道。研究人員用浸泡在鼠李糖中的棉球擦拭志愿者的手腕，然后涂上水凝膠貼片，該貼片會在對化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)后立即亮起。

最后，研究人員制造了一種水凝膠/彈性手套，其指尖包含漩渦狀通道，每個通道中都充滿了不同的化學(xué)敏感細菌細胞。每個指尖響應(yīng)撿起浸有各自混合物的棉球而發(fā)光。

該小組還開發(fā)了一種理論模型，以幫助指導(dǎo)其他人設(shè)計類似的生活材料和設(shè)備。

“該模型可以幫助我們更有效地設(shè)計生活設(shè)備，” Zhao說。“它告訴您諸如應(yīng)該使用的水凝膠層的厚度，通道之間的距離，如何對通道進行構(gòu)圖以及使用多少細菌等信息。”

最終，Zhao設(shè)想了用生物材料制成的產(chǎn)品，例如襯有化學(xué)感應(yīng)水凝膠的手套和橡膠鞋底，繃帶，貼片甚至可能檢測到感染或疾病跡象的衣服。