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美国研发新型光子pH传感器,可追踪细胞组织的生长

发布时间:2019-12-18 14:02:40 所属栏目:物联网 阅读:

  未来,医生们可能会为在战斗中失去手臂的士兵、需要新心脏或肝脏的儿童以及其他有紧急需要的人培育四肢和其他身体组织。如今,医学专业人员可以从病人身上移植细胞,将其沉积在组织支架上,并将支架插入体内,以促进骨骼、软骨和其他特殊组织的生长。但研究人员仍在致力于构建可植入患者体内的复杂器官。

一个带有两根光纤的空培养皿,说明了研究人员实验的一种形式。左侧光纤(通常是红外光,但此处显示为可见的红光)是温度传感器。顶部光纤向培养皿中发出绿色、红色或蓝色的光,以调节温度传感器测量的信号。图片来源:Jennifer Lauren Lee / NIST

  美国国家标准技术研究院(NIST)的科学家通过开发一种有前途的新型光基传感器来研究实验室中的组织生长,为这一研究领域提供了支持。

  NIST团队近日发表在《传感器和执行器B》上的概念验证工作展示了一种小型传感器,该传感器使用基于光的信号来测量pH值,pH值是酸度的测量单位、是细胞生长研究中的一个重要属性。同样的基本设计也可以用来测量其他质量,例如钙,细胞生长因子和某些抗体的存在。

  与传统的传感器不同,这种测量方法可用于长期(一次连续数周)监测细胞培养中的环境,而无需定期干扰细胞来校准传感仪器。NIST化学家Zeeshan Ahmed说,在几天或几周内实时观察组织的特性(随着它们缓慢变化)可以大大有助于组织工程的研究,以生长牙齿、心脏组织、骨骼组织等。

  Ahmed说:“我们希望制造出可以放入生长组织中的传感器,为研究人员提供定量信息。组织真的在生长吗?它健康吗?如果你长了一块骨头,它是有合适的机械性能,还是太弱而不能支撑身体?”

  美国大学化学家、NIST客座研究员Matthew Hartings说:“这些传感器能给人们提供有关组织生长和疾病进展的实时信息。传统的传感器给研究人员提供一系列的快照,而不显示这些点之间的路径。但光子传感器可以为科学家提供连续的信息,相当于一个GPS疾病导航应用程序。我们希望为研究人员提供随着组织健康成长或患病而发生的增量变化的详细图。一旦研究人员知道疾病正在蔓延,那么他们就可以更好地预防或支持患者体内正在发生的变化。”

  商用pH仪器的缺陷

  pH值的测量是组织工程研究的重要组成部分。随着细胞的生长,它们的环境自然变得更酸性。如果环境变得太酸或太碱性,细胞就会死亡。科学家们测量的pH值范围从0(非常酸性)到14(非常碱性),对于大多数细胞而言,理想的环境是在pH值约为7的狭窄范围内。

  商用pH仪器具有很高的准确性,但不稳定,这意味着它们需要频繁地进行校准以确保日常的准确读数。如果不进行校准,这些传统的pH仪器每天就会损失高达0.1个pH单位的准确度。而组织工程学研究需要几周的时间,干细胞培养物可能需要生长近一个月才能变成骨骼。

  Ahmed说:“0.1ph值的增加是显著的。如果你的pH值改变了1,你就会杀死细胞。如果过了几天,我对我的pH值测量结果毫无信心,那么我就不会使用这种测量方法了。”

  另一方面,如果研究人员每次必须测量细胞培养液的pH值时都会干扰生长中的细胞,那么科学家们在测量中引入了另一种不确定性,因为它们正在改变细胞的环境。

  Ahmed说,这类研究需要的是一种测量系统,该系统可以留在培养箱中,无需一次或数周地取出或校准。

在此版本的实验中,培养皿中装有酚红溶液,酚红溶液会根据酸性改变颜色。左侧溶液的较低pH值使该物质呈深黄色。右侧溶液的较高pH值使该物质呈红色。图片来源:Jennifer Lauren Lee / NIST

  新型光子pH传感器

  多年以来,Ahmed和他的团队一直在开发光子传感器,这是一种小型轻巧的设备,它们使用光信号来测量一系列质量,包括温度、压力和湿度。

  这些新设备中的一些使用商业上可用的、用布拉格光栅刻蚀的柔性光纤,布拉格光栅是一种用于反射特定波长并允许其他波长通过的滤光器,温度或压力的变化会改变可以通过光栅的光的波长。