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可穿戴、可打印、可塑形的传感器可检测环境中的病原体和毒素
来源:赛斯维传感器网 发表于 2023/2/7

生物聚合物传感器中的分子开关由一种蛋白质组成,其作用类似于锁和钥匙。当目标分子或病原体(蓝色)与开关结合时,它会发现“锁”,允许分子键(红色)与锁结合并形成完整的荧光素酶(绿色)。在萤火虫和萤火虫中发现的荧光素酶可以发出绿光,表明目标的存在和数量。来源:阿尔弗雷多·基哈诺,华盛顿大学


塔夫茨大学工程学院的研究人员开发了一种使用生物聚合物传感器检测环境中的细菌、毒素和危险化学物质的方法,该传感器可以像墨水一样打印在各种材料上,包括手套、口罩或日常服装等可穿戴物品。



生物聚合物传感器基于计算设计的蛋白质和从蚕蛾bombyx mori的茧中提取的丝素蛋白,可以嵌入薄膜,海绵,过滤器或像塑料一样模制,以采样和检测空气传播和水传播的危险,或信号感染甚至我们体内的癌症。


研究人员演示了传感器在检测导致 covid 的 sars-cov-2 病毒、抗乙型肝炎病毒抗体、食源性毒素肉毒杆菌神经毒素 b 或人表皮生长因子受体 2 (her2)(乳腺癌存在的指标)时如何在几分钟内发光。


目前,一旦暴露,传感器需要用无毒化学品快速喷洒。如果目标存在,则传感器产生光。发射光的强度提供了目标浓度的定量度量。


“实验室设计的蛋白质和丝绸的组合是一个传感器平台,可以适应以高度特异性和灵敏度检测各种化学和生物制剂,”塔夫茨大学工程学院frank c. doble工程教授fiorenzo omenetto说,塔夫茨丝绸实验室主任开发了生物响应材料。“例如,sars-cov-2和抗乙型肝炎抗体可以在接近临床测定的水平上进行测量。”


传感元件是模块化的,因此开发人员可以交换新设计的蛋白质来捕获特定的病原体或分子进行测量,而发光机制保持不变。omenetto说:“使用传感器,我们可以拾取微量的空气传播的sars-cov-2,或者我们可以想象对其进行修改以适应下一个公共卫生威胁。


他指出,虽然它处于概念阶段,但检测乳腺癌的应用特别有趣。他的团队创造了一种概念验证的硅胶胸罩垫,当佩戴时可以吸收分泌的液体,报告her2激素的水平,并提供是否存在乳腺癌的指示。“虽然需要进一步开发来改进和临床验证检测,但在日常服装中进行这种诊断的机会肯定是引人注目的,”omenetto说。

无人机机身嵌入了能够检测空气中sars-cov-2的生物聚合物传感器。在飞行过程中,螺旋桨引导气流通过无人机的多孔体,如果存在病毒,它会发光。无人机可以在远程距离内监控环境。来源:fio omenetto,塔夫茨大学丝绸实验室


传感器可以呈现出看似无穷无尽的各种形式。为了证明这一点,研究小组创造了病毒传感无人机,其中的机身嵌入了传感器材料。在飞行过程中,螺旋桨引导气流通过无人机的多孔主体,着陆后可以对其进行检查。在示例中,无人机对空气传播的病原体(sars-cov-2)做出反应,可以从远程距离监测环境。


生物聚合物传感器的活性组件由华盛顿大学(sites.uw.edu/biochemistry/faculty/david-baker/)蛋白质设计研究所的david baker教授开发,是一种由蛋白质制成的分子开关,其作用类似于锁和钥匙,但带有盖子。当病毒、毒素或其他目标分子靠近时,它会与开关结合并打开盖子。开关的另一部分 - 分子钥匙 - 可以装入锁中,并且组合形成完整的荧光素酶,类似于点亮萤火虫和萤火虫的酶。与传感器结合的病毒、毒素或其他化学物质越多,光芒就越亮。

分子发光开关嵌入从丝茧中提取的蛋白质混合物中,称为丝素蛋白。丝素蛋白是生物聚合物传感器的非活性成分,但具有独特的功能,包括能够使用水基方法进行加工和制造,以及可制成不同材料(如薄膜、海绵、纺织品)或通过喷墨打印机分散到表面上的非凡多功能性。此外,丝素蛋白稳定了分子荧光开关,并大大延长了其保质期。


这些生物聚合物传感器是测量环境中病原体或化学物质的其他方法的一大飞跃,这些方法通常依赖于生物成分,这些成分会随着时间的推移迅速降解,需要小心储存。传感器也不依赖于难以集成到柔性可穿戴材料中的电子元件。


塔夫茨大学的研究人员测试了嵌入sars-cov-2传感器的材料在60摄氏度下储存四个月后的保质期,发现性能几乎没有变化。形状为海绵的乳腺癌传感器在室温下在架子上保存一年,并且仍然接近其原始灵敏度。


“这意味着我们可以长时间制造,分发和存储这些传感接口,而不会失去其灵敏度或准确性,也不需要冷藏,这是非常了不起的,因为它们是由蛋白质制成的,”omenetto实验室的研究生luciana d'amone说,他与giusy matzeu共同领导了该项目。 塔夫茨丝绸实验室的研究教授。


这种方法可以使传感器以不同的格式广泛使用。“例如,你可以制造能够检测病原体的外科口罩,将它们包装在盒子里,并像传统口罩一样随着时间的推移使用它们,”d'amone说。“我们还表明,您可以在食品包装内打印传感器以跟踪变质和毒素。您可以修改我们每天使用的许多产品,包括传感,并像往常一样存储和使用它们。


塔夫茨研究小组设想了生物聚合物传感器的应用,从医疗保健环境中的个人和患者监测和感染控制到家庭,工作场所,军事和灾难环境中的环境传感。

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