來自麻省理工學院的工程師和生物學家通過合作，設計出一種“活性材料”——植入了活細胞的水凝膠片，這種水凝膠片質地堅韌、富有彈性且具有生物相容性，植入的細胞經基因修飾，當遇到特定的化學物質時會發光。
在本周發表于《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，用以監測環境或人體中的化學物質的巨大潛力。
研究人員發現，水凝膠富含水分的環境，有助于營養物的保持和轉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做出響應時，細菌在基因作用下會發出光亮。
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污染的表面時，會發出光澤。還制作了一種繃帶，當貼在沾有化學物質的人體皮膚上時，會變得閃閃發亮。
MIT機械工程系副教授趙選賀表示，他的團隊開發的活性材料在檢測化學物質和污染物方面有廣闊的應用空間。例如，從犯罪現場調查到法醫科學，從污染監測到醫療診斷等領域。
“通過這種設計，人們可以在裝置中放入不同類型的細菌，以指示環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裝置的應用潛力。”
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)內的生物質進行基因重組，使其能有序地發揮作用，這非常像電路中的邏輯步驟。利用此方法，科學家可以重新設計細胞以執行特定功能，例如感知病毒和毒素的存在并發出信號。
然而，這些新的轉基因細胞大多僅能在培養皿中存活，科學家可以小心地控制培養皿中保持細胞活性所需的各種營養水平——而這種環境條件想要復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是，如何培養這些活細胞，使它們能存活下來并執行一定的功能。”Lu說，“培養細胞需要濕度、營養，一些還需要氧氣。第二個挑戰則是如何防止它們從材料中流失。”
為了應對這些攔路石，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，并將它們結合到紙上，以產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”執行器或機器人。然而，當經過反復彎曲后，這些膜材料可能發生破裂，從而導致活細胞的泄漏。
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，該團隊已經提出了多種水凝膠配方，在他們最新的設計中，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成維持活細胞生存的環境。該材料甚至在反復拉伸后也不易開裂——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打印技術做出水凝膠層，然后利用微成型技術在水凝膠層上做出特定圖案的窄通道。隨后，將水凝膠結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。當某些化學物質透過水凝膠與細胞接觸時，細胞會按設計的基因功能發出熒光或發亮。這種情況下產生一種叫做DAPG的物質。
然后，研究人員將水凝膠/彈性體材料浸泡在營養液中，使水凝膠注滿營養成分，從而保證其中的細菌細胞可存活數日。
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，每種細菌被設計成可響應不同的化學物質，并會發出綠光。結果毫無疑問，四個通道在暴露于各細菌對應的化學物質時都成功點亮。
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”一經與皮膚接觸就做出響應，開始發光。
最后，研究人員制做了一個水凝膠/彈性體手套，并在指尖設計了漩渦狀通道，每個通道填充響應不同化學物質的細菌細胞。每個指尖在捏取浸有不同化合物的棉球時，都對應地做出了響應，發出輝光。
該團隊還開發了一個理論模型，以幫助指導他人設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計出活性裝置。”Zhao說，“它會告訴你水凝膠層應該有多厚，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。”
趙教授在最后設想了未來各種可能由活性材料制成的產品，例如，擁有檢測感染或疾病跡象的手套，襯有化學感應水凝膠的橡膠鞋底，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生研究院的部分支持。