麻省理工学院的工程师和生物学家联手设计了一种新的生物材料

麻省理工学院的工程师和生物学家联手设计了一种新的“生物材料”，即一种坚硬，可拉伸，具有生物相容性的水凝胶片，其中注入了活细胞，这些活细胞经过基因编程，可以在某些化学物质存在时发光。

在《科学院院刊》上发表的一篇论文中，研究人员展示了这种新材料在环境和人体中感知化学物质的潜力。

该团队使用注入细胞的水凝胶制造了各种可穿戴传感器，包括带有指尖的橡胶手套，该手套在接触被化学污染的表面后会发光，当绷带紧贴着人体皮肤上的化学物质时会发光。

研究人员发现，水凝胶的大部分水分环境有助于保持营养物质和程序细菌的存活和活跃。如左图所示，当细菌对某种化学物质起反应时，细菌会被编程点亮。图片由研究人员提供

麻省理工学院机械工程专业的罗伯特·N·诺伊斯职业发展副教授赵选河说，该小组的生物材料设计可能适用于感知其他化学物质和污染物，其用途包括现场调查和法医科学，污染监测和医疗等。诊断。

“通过这种设计，人们可以在这些设备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，电气工程和计算机科学副教授Timothy Lu说。“我们正在展示生活材料和设备的潜力。”

该论文的合著者是研究生刘欣悦，唐子杰，谭咏麟，俞贤宇和林绍廷。

在材料中注入生命

麻省理工学院合成生物学小组的Lu和他的同事专门研究生物电路，对大肠杆菌等活细胞中的生物部分进行基因重编程，使其按顺序协同工作，就像电路中的逻辑步骤一样。这样，科学家可以对活细胞进行改造，以执行特定功能，包括感知和发出病毒和毒素信号的能力。

但是，这些新编程的细胞中的许多只是在皮氏培养皿中原位证实的，科学家可以在其中小心控制保持细胞存活和活跃所必需的营养水平-一种在合成材料中极难复制的环境。

“制造活体材料的挑战是如何维护这些活细胞，使其在设备中可行并发挥功能，” Lu说。他们需要湿度，养分，有些需要氧气。第二个挑战是如何防止他们从材料中逃脱。”

为了绕开这些障碍，其他人使用了来自基因工程细胞的冻干化学提取物，将其掺入纸张中，以创建低成本的，可检测病毒的诊断条。卢说，提取物与活细胞不同，活细胞可以在更长的时间内保持其功能，并且对病原体的检测灵敏度更高。

其他小组将心脏肌肉细胞接种到橡胶薄膜上，制成柔软的，“活着的”执行器或机器人。但是，当反复弯曲时，这些薄膜会破裂，从而使活细胞泄漏出去。

一个活泼的主人

麻省理工学院的软活性材料实验室的Zhao研究小组已经开发出一种可能是理想的宿主活细胞的材料。在过去的几年中，他的团队提出了各种水凝胶配方-一种由聚合物和水的混合物制成的坚韧，高度可拉伸，生物相容的材料。他们的最新设计包含高达95%的水，从而为Zhao和Lu认为可能适合维持活细胞的环境提供了条件。即使反复拉伸和拉伸，该材料也能抵抗开裂-这种特性可以帮助将细胞包含在材料中。

两组合作将Lu的基因编程细菌细胞整合到Zhao的水凝胶材料中。他们首先使用3-D打印和微成型技术制造了水凝胶层，并在层中形成了窄通道图案。他们将水凝胶熔化到弹性体或橡胶层上，该层的多孔性足以吸收氧气。然后，他们将大肠杆菌细胞注射到水凝胶的通道中。当细胞与通过水凝胶的某些化学物质(在这种情况下为称为DAPG的天然化合物)接触时，可以对细胞进行编程以发出荧光或发光。

然后，研究人员将水凝胶/弹性体材料浸泡在营养液中，并注入整个水凝胶中，并帮助细菌细胞保持活跃和活跃数天。

为了证明这种材料的潜在用途，研究人员首先用四个分离的狭窄通道制作了一片材料，每个通道都包含一种细菌，这些细菌经过改造后可以对不同的化学化合物发出绿色光。他们发现每个通道在暴露于其各自的化学物质后都能可靠地点亮。

接下来，研究小组将材料制成绷带或“活体贴片”，其图案上含有对鼠李糖(一种天然存在的糖)敏感的细菌的通道。研究人员用浸泡在鼠李糖中的棉球擦拭志愿者的手腕，然后涂上水凝胶贴片，该贴片会在对化学物质产生反应后立即亮起。

最后，研究人员制造了一种水凝胶/弹性手套，其指尖包含漩涡状通道，每个通道中都充满了不同的化学敏感细菌细胞。每个指尖响应捡起浸有各自混合物的棉球而发光。

该小组还开发了一种理论模型，以帮助指导其他人设计类似的生活材料和设备。

“该模型可以帮助我们更有效地设计生活设备，” Zhao说。“它告诉您诸如应该使用的水凝胶层的厚度，通道之间的距离，如何对通道进行构图以及使用多少细菌等信息。”

最终，Zhao设想了用生物材料制成的产品，例如衬有化学感应水凝胶的手套和橡胶鞋底，绷带，贴片甚至可能检测到感染或疾病迹象的衣服。

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