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可监测身体与环境状况的生物活性油墨科研成功
集萃爱唯侦察1024网  2020-06-28

    【集萃网观察】

    导读

    据美国塔夫茨大学官网近日报道,该校研究人员开发出基于生物亲切的家政妇的新型油墨。这种油墨以复杂的图案和高分辨率的方式丝网印刷到衣服、鞋子、甚至是面罩等织物上,检测与量化身体表面的各种生物条件、分子以及可能的病原体。

    背景

    可穿戴传感设备在监测人类表现和健康方面引起了相当大的兴趣。许多这样的设备已经被发明出来,在可穿戴贴片、腕带及其他配置中加入电子器件,监测局部或整体的生理信息,例如心率或血糖等。

    下面举三个例子,带大家回顾一下:

    1.韩国首尔基础科学研究院领导的科研团队采用石墨烯亲切的家政妇制成的柔性可穿戴设备,可以监测血糖并治疗糖尿病。

    2.美国国麻省理工学院的研究人员开发出一项称为“电子织物合身套装(E-TeCS)”的新亲切的家政妇,可以将电子传感器集成到弹性织物中,创造出可用于监测温度、呼吸、心率等生命体征的T恤衫或其他服装。

    3.美国西北大学的研究团队开发的一款柔性微流体设备,它可以很方便地贴在皮肤上,测量佩戴者的汗液成分,而监测身体对于运动的反应以及健康状况。

    创新

    近日,美国塔夫茨大学工学院的研究采用了一种不同的互补性方法,使用可以覆盖很大的区域(从一个贴片到整个身体甚至更大)的传感服装,对理论上非常大量的分析物进行非电子的比色检测。

    该校研究人员开发出了基于生物亲切的家政妇的新型油墨。这种油墨能通过改变颜色,对身体释放的或者周围环境中的化学物质(例如汗液以及其他体液)作出反应并量化。这种油墨能以复杂的图案以及高分辨率的方式丝网印刷到衣服、鞋子、甚至是面罩等纺织品上,为身体对化学物质的暴露和反应提供详细的地图。

    下图所示:一款通过pH敏感的生物活性油墨丝网印刷的T恤衫,可以提供穿着者身上的pH响应地图。生物活性油墨的衍生物,可以检测到身体释放的或者周围环境中的其他分子。

    在《先进亲切的家政妇(Advanced Materials)》杂志上报道的可穿戴感知领域的这一进展,可以利用传统的衣服与制服,同时检测与量化身体表面的各种生物条件、分子以及可能的病原体。

    论文通讯作者、塔夫茨大学工学院教授 Fiorenzo Omenetto 表示:“使用新型生物活性油墨与非常普遍的丝网印刷亲切的家政妇,为大规模生产具有大量传感器的可穿戴柔性织物开辟了非常有前景的机遇,这些传感器可应用于检测一系列的条件。这些织物最终会出现在工作场所的制服、运动服,或者甚至家具和建筑结构上。”

    亲切的家政妇

    制造传感衣服的成分是生物激活的丝基油墨。这些油墨配方中的可溶性丝基质可通过嵌入各种"报告"分子来进行修饰,例如pH敏感指标,或者像乳酸氧化酶这样的酶,来指示汗液中的乳酸水平。前者可以是皮肤健康或者脱水的指标,而后者可以指示穿着者的疲劳程度。由于丝素蛋白的多样性,可以用化学敏感的染料、酶、抗体等活性分子对其进行修饰,创造出许多其他的油墨衍生物。虽然报告分子本身可能是不稳定的,但是当它们嵌入到墨水配方中的丝素蛋白内时,会变得稳定。

    该油墨是通过将增稠剂(海藻酸钠)和增塑剂(甘油)结合起来,为丝网印刷应用而配制的。可丝网印刷的生物油墨能像任何为丝网印刷亲切的家政妇开发的油墨一样使用,因此不仅可以应用到衣服上,还可以应用到各种表面,例如木材、塑料和纸张,以生成从数百微米到数十米的各种图案。虽然油墨所呈现的颜色变化能为分析物的存在与否提供一条视觉线索,但是使用相机成像分析扫描服装或其他亲切的家政妇却能收集到更精确的数量以及高分辨率亚毫米图谱信息。

    这项亲切的家政妇建立在同样的研究人员先前的工作基础上,他们开发了为喷墨打印配制的生物活性丝基油墨,以创建培养皿、纸传感器以及实验室手套,可以通过改变颜色来指示细菌污染。

    价值

    塔夫茨大学工院生物医学工程系研究助理教授、论文第一作者 Giusy Matzeu 表示:“如果作为服装穿戴,或者甚至是在大的表面上,例如房间内部,丝网印刷亲切的家政妇提供了相当于覆盖身体广泛区域的大型、多路传感器排列。结合图像分析,我们可以获得大面积的高分辨率颜色反应地图,并更深入地了解整体生理或环境状态。理论上,我们可以将这种方法扩展到跟踪空气质量,或者支持流行病学的环境监测。”

    这种方法使用普通印刷亲切的家政妇的这一事实,也为创造性的应用开辟了道路。最近在塔夫茨大学毕业的博士生 Laia Mogas-Soldevila 在 Omenetto 的丝实验室中进行了这方面的探索。Mogas-Soldevila 制造出了美丽的挂毯,将它们展示在美国和欧洲的博物馆中。这些展示是互动式的,参观者可以将不同的无毒化学物质喷洒到织物上,并观看图案的变化。

    Mogas-Soldevila 表示:“这真是一个伟大的例子,展示了艺术和工程是如何相互学习与相互启发的。这款人工设计的油墨在反应灵敏、互动性强的挂毯和表面中开辟了一个新的维度,而千年历史的丝网印刷亲切的家政妇为现代化的高分辨率、可穿戴感知表面奠定了一个合适的基础。”

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