麻省理工学院的工程师和生物学家合作设计出一种新型“活性材料”——一种坚韧、可拉伸且具有生物相容性的水凝胶薄片，其中注入了经过基因编程的活细胞，遇到某些化学物质时便会发光。
研究人员在本周发表于《美国国家科学院院刊》的一篇论文中展示了这种新材料在环境和人体内检测化学物质的潜力。
研究团队用注入细胞的水凝胶制成了多种可穿戴传感器，包括一只橡胶手套，其指尖接触化学污染表面后会发光；还制成了绷带，按压到人体皮肤上的化学物质时便会发光。
麻省理工学院机械工程系罗伯特·N·诺伊斯职业发展副教授赵宣和表示，该团队设计的活性材料或可改造用于感知其他化学物质和污染物，应用范围涵盖犯罪现场调查和法医学、污染监测以及医学诊断。
“采用这种设计，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，”生物工程系以及电气工程与计算机科学系副教授蒂莫西·卢说。“我们正在展示活性材料和设备的潜力。”
这篇论文的共同作者是研究生刘欣悦、Tzu-Chieh Tang、Eleonore Tham、Hyunwoo Yuk和Shaoting Lin。
为材料注入生命
卢和他在麻省理工学院合成生物学团队的同事专注于创建生物回路，通过基因重编程，促使活细胞中的生物部件（如大肠杆菌）按顺序协同工作，就像电路中的逻辑步骤一样。通过这种方式，科学家可以重新设计活细胞，使其执行特定功能，包括感知病毒和毒素并发出信号。
然而，这些新编程的细胞中，有许多仅在原位实验中得到验证，也就是在培养皿中进行；科学家可以在那里仔细控制维持细胞存活和活性所需的营养水平，而在合成材料中极难复制这种环境。
“制造活性材料的难点在于如何维持这些活细胞，使它们在设备中保持存活并发挥功能，”卢说。“它们需要湿度和营养物质，有些还需要氧气。第二个难点是如何防止它们从材料中逸出。”
为解决这些难题，其他研究者曾使用基因工程细胞的冻干化学提取物，将其融入纸张，制成低成本的病毒检测诊断试纸。但卢指出，提取物并不等同于活细胞；活细胞能够在更长时间内保持功能，而且检测病原体时可能具有更高的灵敏度。
其他研究团队曾将心肌细胞播种到薄橡胶膜上，制成柔软的“活性”驱动器或机器人。然而，反复弯折会使这些薄膜开裂，导致活细胞漏出。
充满活力的载体
赵宣和在麻省理工学院软性活性材料实验室的团队研发了一种可能非常适合承载活细胞的材料。过去几年里，他的团队开发了多种水凝胶配方——这种坚韧、高度可拉伸且具有生物相容性的材料由聚合物和水混合制成。其最新设计的含水量高达95%，赵宣和与卢认为，这种环境可能适合维持活细胞。即使反复拉伸和牵扯，这种材料也不易开裂，这一特性有助于将细胞留在材料内部。
两个团队合作，将卢经过基因编程的细菌细胞整合到赵宣和的水凝胶薄片中。他们先制备水凝胶层，并利用3D打印和微模塑技术在层内形成图案化的狭窄通道。随后，他们将水凝胶与一层弹性体（即橡胶）融合；这种弹性体具有足够的孔隙，可让氧气进入。接着，他们将大肠杆菌细胞注入水凝胶通道中。这些细胞经过编程，接触穿过水凝胶的某些化学物质时便会发出荧光，也就是发光；在本例中，这种化学物质是一种名为DAPG的天然化合物。
随后，研究人员将水凝胶/弹性体材料浸入营养液中，营养液渗透到整个水凝胶，帮助细菌细胞存活并保持活性数日。
为展示这种材料的潜在用途，研究人员首先制成一片材料，其中有四条彼此分隔的狭窄通道，每条通道都含有一种细菌；这些细菌经过改造，遇到不同化合物时会发出绿光。他们发现，每条通道遇到对应的化学物质时都会稳定发光。
接下来，团队将这种材料制成绷带，也就是“活性贴片”，其中的通道布有对鼠李糖敏感的细菌。鼠李糖是一种天然存在的糖。研究人员用浸有鼠李糖的棉球擦拭一名志愿者的手腕，然后贴上水凝胶贴片；贴片随即因接触这种化学物质而发光。
最后，研究人员制成一只水凝胶/弹性体手套，指尖内设有类似旋涡的通道，每条通道都填入了不同的化学物质感知细菌。每个指尖在拿起浸有相应化合物的棉球时都会发光。
该团队还开发了一种理论模型，帮助其他人设计类似的活性材料和设备。
“这个模型能帮助我们更高效地设计活性设备，”赵宣和说。“它会告诉你应该使用多厚的水凝胶层、通道之间应保持多远距离、如何布置通道，以及需要使用多少细菌。”
赵宣和设想，未来可以用活性材料制成各种产品，例如内衬化学物质感知水凝胶的手套和橡胶鞋底，以及能够检测感染或疾病迹象的绷带、贴片乃至衣物。
这项研究部分得到了美国海军研究办公室、美国国家科学基金会和美国国立卫生研究院的资助。
