用蚕丝和钻石,科学家制作出了新型生物传感器

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用蚕丝和钻石,科学家制作出了新型生物传感器

云栖号资讯小哥 2020-06-03 14:08:49 浏览372
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编者按:本文介绍了澳大利亚科学家Khalid及相关科研人员对蚕丝和纳米钻石进行的医学实验。长久以来,蚕丝一直被视为一种面料的原材料,而钻石被认为是一种装饰品。但在科学家眼中,这两种材料结合在一起,可以制作出强大的传感器,检测人类的各类疾病。本文来自Medium,作者Wilson da Silva,原文标题“Silk & Diamonds: The Fancy End of High-Tech Medicine”.

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蚕丝纤维 | 图片来自Tufts University

划重点:

  • 纳米钻石因为晶体结构小,是理想的生物传感器载体;蚕丝是纯天然生物材料,容易被活体吸收,是理想的包裹传感器的外层。
  • 目前,研究人员已经成功测试了由蚕丝包裹的各类传感器,如PH传感器、过氧化氢传感器、钙和锌等金属离子传感器。
  • 据估计,未来这类由蚕丝包裹的传感器将会得到更广泛的医学应用,包括治疗癌症、检测精子细胞、为大脑做细胞成像检测、甚至是治疗烧伤。

闪烁的纳米钻石

Asma Khalid很喜欢穿丝绸裙子,也喜欢戴钻石。但是她没有想到,这两样东西会成为她职业生涯中最重要的两种元素。简单来说,医学界现在已经发现,可以利用钻石和蚕丝在人体内输送药物。

Asma Khalid在澳大利亚墨尔本大学攻读博士学位时,一直在研究纳米钻石。这种钻石的晶体结构小于千分之一毫米,外加它作为钻石在化学性质上呈现惰性,又富有光泽,因此它在生物学上已经被广泛应用,成为了一种生物学传感工具。

现在,已经是墨尔本理工大学的博士后、研究员的Khalid 介绍说:“纳米钻石是一种荧光材料,当我们用激光照射它时,它会持续发光。但是这种材质的表面比较粗糙,喜欢凝结在一起,而且有时候我们希望它能持续发光,它却总是闪烁不定。” Khalid现在也是澳大利亚纳米级生物光子学中心(CNBP)的副研究员。“因此,我们希望能找到一种材料包裹住这些纳米钻石,让它的表面变得光滑,同时还能和活体的生物属性不相克。然后我们就想到了丝绸。”

为什么选择丝绸?

丝绸的历史要追受到12000年以前的新石器时代,它最早是在中国黄河周围的仰韶人遗址中发现的。想要获得高质量的蚕丝,首先要人工饲养幼蚕,然后等到蚕吐丝作茧之后再将蚕丝抽出来。蚕丝表面之所以反光,是因为它的纤维是菱柱状结构,从不同角度看会出现不同的色彩。

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蚕丝是一种纯天然的生物纤维,可以被活体吸收 | 图片来自Ed Schipul/Flickr

Khalid称,作为一种自然纤维,蚕丝对人体无毒无害,因为它完全是由蛋白质和氨基酸组成的,在光学特性上又和其他的纤维不同。蚕丝可以提高纳米钻石的亮度。科学家们首先在小白鼠体内植入了蚕丝,发现蚕丝在老鼠体内溶解了,而且老鼠没有出现任何不良反应。

她将研究成果写成论文,发表在《生物医学光学快报》上。凭借这这份研究成果,她获得了波士顿塔夫茨大学的奖学金。该学校的Fiorenzo Omenetto教授带领的团队恰好就是将蚕丝应用于生物医学光学的先锋。加入Omenetto教授的实验室后,Khalid就在致力于生产出无色的丝绸,从而在包裹纳米钻石时无需担心遮住它的光泽。

她说:“我学会了如何从蚕茧中提取蚕丝,将它液化、转换成薄膜的结构,这种结构可以让它注入3D打印机里和其他生物医学装置中。”

她还补充道:“我还成功用蚕丝包裹住了纳米钻石。包裹后的钻石特别亮,很适合做细胞成像工具。另外,它还很适合作为药物载体被送到人的体内,用来追踪和治疗癌症。”

“被送进人体内后,蚕丝渐渐溶解,纳米钻石包裹的药物会被释放出来,我们可以根据纳米钻石发出的光来最终药物的扩散程度。”

当蚕丝包裹住纳米传感器

塔夫茨大学一项重要的研究就是纳米钻石在生物传感上的应用。当Khalid回到澳大利亚并加入墨尔本理工大学后,她也开始着手和塔夫茨大学合作:“我们将研究结果合并在一起,发现这种蚕丝包裹的纳米钻石在成像、传感、释放药物和组织再生方面都可以有非常广泛的应用。”

Khalid在墨尔本理工大学建造了自己的实验室,该实验室的主要任务是提取透明蚕丝并将其液化、纳米化,从而形成一层纤维涂层——在显微镜下,这种涂层是由大小相近的片状物相互连接而成,可以用来包裹物体表面,进行健康监测。

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Asma Khalid博士在她的工作室 | 图片来自CNBP

这一时期,在澳大利亚阿德莱德大学纳米级生物光子学中心的生物医学专家李文佳(音译)正在对超细纤维在人体内的反应做测试,她发现可以通过观察这种纤维在活体内的反应,从而对人体进行医学监测,而无需像以前那样从人体内切一块样本出来。

“比如说,我们想要探测病人肺部深处的肿瘤是恶性还是良性,我们现在可以通过测试PH值、二氧化碳或者其他分子来判断,而不是像以前那样,从组织上切除一块样本再做活检。”

“或者,我们也不需要通过抽血来获得病人的葡萄糖等成分,而是可以在人体内植入比头发还细小的光学纤维,一旦进入人体就可以开始监测,不用等待结果和反应。”但是李文佳需要找到一种可以包裹超细纤维的外层,这样它才不会在人体内进行化学反应。所以相当长一段时间,李文佳一直在寻找可以用来做保护涂层的原料。

李文佳表示很难找到合适的原料,既不会对人体造成伤害,也不会产生化学反应干扰检测结果。

这个时候,Khalid建议她使用液态蚕丝做为包裹涂层的材料。两个人用蚕丝包裹超细纤维,然后在小白鼠身上做生物传感实验。李文佳表示:“我真不敢相信居然这么简单!蚕丝是天然生物材料,小白鼠对它没有任何排斥反应。整个检测过程在常温下就可以完成。我们做的只是将超细纤维在液体蚕丝中浸泡了30秒!”

改变液态蚕丝的结构

在确定活体对蚕丝不排斥后,下一个挑战是确保蚕丝里的传感器可以正常工作。为了实现这一目标,有机化学家Aimee Horsfall和阿德莱德大学纳米级生物光子学中心里负责传感器设计的博士Patrick Capon投入了许多努力。

Horsfall说:“我们需要测试这个系统的稳定性。如果我们把传感器插进某个器官或者肿瘤里,它会不会无法正常工作?这种生物传感器会有什么局限?这是我们迫切需要搞清楚的问题。”

他们首先从PH传感器开始。这种传感器可以用来测试水性溶液的酸碱值。很快他们就遇到了问题:蚕丝和传感器无法紧紧包裹在一起。几个月的失败尝试之后,他们最终找到了一种合成肽,可以调整蚕丝的粘性,让它紧密地附在传感器上。

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在这个示意图中,纳米钻石附在一串蛋白质上,并且靠自身光源照亮了蛋白质 | 图片来自Carlo Bradac/CNBP

后来他们将传感器在合成肽与液态蚕丝混合液中浸泡30秒,然后再在甲醇中浸泡10秒。Capon 说:“我们改变了蚕丝的结构,让它变成了一种结晶,可以牢牢附在传感器上。我们将包裹好的传感器植入活体,然后打开激光,成功获得了荧光信号。”

现在,研究人员已经用PH传感器成功做了实验,现在他们开始尝试各类其他传感器,如过氧化氢传感器(检测精子细胞),钙和锌等金属离子传感器(用于检测生育和体外受精环境)等。事实上,在医学界,针对某种疾病的特定传感器类别广泛,而液态蚕丝将为传感器的安全提供一层保障。

更多应用

Horsfall和Capon说:“我们还有很多工作要做,我们对此感到非常兴奋。每次开会我们都会想出至少3个新的应用。很多问题可以考虑:我们可以在多少中纤维传感器上包裹蚕丝?其他生物学家或者临床医护人员又能如何应用这些蚕丝?”

与此同时,Khalid还和悉尼的麦格理大学合作,将她的研究成果应用到癌症治疗中;此外,她还和墨尔本理工大学的一个小组合作完成了可以给大脑成像的、涂有液态蚕丝的磁性例子;最后她还和墨尔本大学合作创建了可以给细胞成像的、由液态蚕丝包裹的金属氧化物纳米颗粒。

此外,她一直在研究如何将蚕丝和其他材料混合,用于处理烧伤等。

Khalid说:“我以前只把丝绸当面料,但当我参考医学文献时,我才意识到:上百年前,人们就已经开始那它当医疗缝合线了。丝绸和钻石也许是一种装饰品,但是它们的光学性能很好,在医疗方面也会有广阔的应用。”

译者:Michiko

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原文发布时间:2020-06-02
本文作者:神译局
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