Przędzenie jedwabiu w czujniki

Kokony jedwabników wysyłane w pudłach z Japonii do laboratorium optycznego na Uniwersytecie Tufts spotka inny los niż te, które trafiają do fabryk tekstylnych na całym świecie. Silne włókna białkowe, którymi gąsienice kiedyś owinęły się wokół siebie, zamiast wplatać w zasłony lub ubrania, zostaną wykorzystane do budowy materiałów optycznych, które mogą służyć jako podstawa czujników i innych urządzeń. Bioinżynier Fiorenzo Omenetto, który tworzy urządzenia, ma ostatecznie nadzieję zbudować wszczepialne, biodegradowalne czujniki, które mogłyby pomóc w monitorowaniu postępów pacjentów po operacji lub śledzeniu chorób przewlekłych, takich jak cukrzyca.

Fiorenzo Omenetto na schodach budynku bioinżynieryjnego Tufts, gdzie wykonuje przyrządy optyczne z jedwabiu.

Omenetto zdał sobie sprawę, że jedwab jest dobry nie tylko na koszule i krawaty, mówi, kiedy rozmawiał z Davidem Kaplanem, szefem wydziału biomedyczno-inżynierskiego Tufts, z którym dzieli korytarz. Kaplan przekształca białka jedwabiu w przyjazne komórkom rusztowania do inżynierii tkanek biologicznych, w tym implantów rogówki. Jedwab jest najmocniejszym znanym naturalnym włóknem, jest preferowany przez inżynierów tkanek, ponieważ jest mechanicznie wytrzymały, ale nieszkodliwie rozkłada się wewnątrz ciała.

Ta historia była częścią naszego wydania ze stycznia 2009

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Wykształcony jako fizyk, Omenetto uznał, że jeśli jedwab jest dobrym sztucznym rogówką, może również służyć jako dobry przyrząd optyczny. Jak się okazuje, jak mówi, jedwabne urządzenia, które tworzy, działają równie dobrze, jak te wykonane z tradycyjnych materiałów optycznych, takich jak szkło i plastik – w niektórych przypadkach nawet lepiej. I w przeciwieństwie do tych materiałów, jedwab nie musi być przetwarzany w wysokich temperaturach ani przy użyciu żrących chemikaliów.

To jeden z powodów, dla których jedwab tak dobrze nadaje się do wykorzystania w bioczujnikach: ponieważ urządzenia z jedwabiu można wytwarzać w delikatnym środowisku, możliwe jest włączenie do nich dodatkowych cząsteczek biologicznych (takich jak białka) w trakcie ich budowy. Cząsteczki te służą jako czujniki, które po zintegrowaniu z urządzeniami z jedwabiu mogą pozostawać aktywne przez lata. W urządzeniach, które opracowują Omenetto i Kaplan, białka osadzone w materiale optycznym skutecznie wiążą się z celem, takim jak tlen lub białko bakteryjne; kiedy to robią, światło przekazywane przez czujnik zmienia kolor.

Receptura optyczna
Receptura Omenetta zaczyna się od kokonów utkanych przez jedwabnika Bombyx mori. Mówi, że najpierw przecinasz kokon i usuwasz robaka – ku rozczarowaniu wegan. Starszy technik badawczy Carmen Preda następnie gotuje kokony w roztworze zawierającym sól sodową węglanu. Pomaga to rozpuścić serycynę, lepką glikoproteinę, która utrzymuje razem kokony, ale wywołuje reakcje immunologiczne u ludzi. Po wyschnięciu włókien jedwabiu rozpuszcza się je w roztworze bromku litu. Kiedy się ochłodzi, Preda za pomocą strzykawki załaduje go do wkładu dializacyjnego. Wkłada to do naczynia z wodą, z którego wydobywa się sól.

To, co pozostało we wkładzie, to przejrzysty, lepki roztwór oczyszczonej proteinowej fibroiny jedwabiu. Preda usuwa ten jedwabny syrop z wkładu za pomocą strzykawki i ładuje go do rzędu probówek; jest to materiał wyjściowy do komponentów optycznych Omenetto. Jeśli chce użyć składników bioczujnika, może na tym etapie dodać białko skierowane na konkretną cząsteczkę – powiedzmy hemoglobinę wiążącą tlen. Masz to fajne rozwiązanie na bazie wody, z którym możesz mieszać wszystko, mówi Omenetto.

Hemoglobina jest stosunkowo stabilnym białkiem, ale materiały jedwabiu mogą również zachować aktywność mniej odpornych białek, takich jak enzymy. Jako przypadek testowy, naukowcy z Tufts stworzyli jedwabne struktury zawierające lotny enzym z chrzanu zwany peroksydazą; Czujniki glukozy mogą zawierać heksokinazę, enzym, który wiąże się z cukrem.

Formy używane do kształtowania roztworu białka jedwabiu w urządzenia optyczne mają wzór w nanoskali. Takie drobne szczegóły są ważne w optyce, ponieważ światło najlepiej współdziała z obiektami w skali nie większej niż jego własna długość fali – około 400 do 700 nanometrów w przypadku światła widzialnego. W świetle otoczenia laboratorium, nano-wzorowane obszary plastikowych form lśnią miękko, jak wnętrze muszli uchowca.

Jednym z urządzeń, które stworzyli naukowcy, jest hologram, który pokazuje, że jedwab ma taką samą wszechstronność jak inne materiały optyczne. Na stanowisku laboratoryjnym, podoktor Jason Amsden używa pipety do naniesienia roztworu jedwabiu na formę z wytrawionym logo Tufts. Pozostawia formę na blacie w temperaturze pokojowej na około osiem godzin – wystarczająco długo, aby białka utworzyły elastyczny, nieregularny owal, ukazując logo w trójwymiarowym wzorze opalizujących różów i błękitów.

W innych formach w laboratorium różne typy urządzeń optycznych zostały już wysuszone. Amsden wybiera jedną i delikatnie ściąga ją z formy za pomocą pęsety. Urządzenie jest półprzezroczystą czerwoną kartką impregnowaną hemoglobiną i wzorzystą kilkoma elementami optycznymi, w tym siatką dyfrakcyjną, która dzieli białe światło na kolory składowe.

Czujniki jedwabiu
Karta działa jak prosty czujnik tlenu: przechodzące przez nią światło zmienia nieco długość fali, w zależności od tego, ile tlenu związało się z osadzoną hemoglobiną. Tych zmian nie można zobaczyć gołym okiem, ale można je wykryć za pomocą fotodiody, chipa, który zamienia światło w prąd elektryczny. Gdy np. kropla krwi bogatej w tlen zostanie umieszczona na czujniku, hemoglobina pobiera z niego tlen, a długość fali światła rejestrowanego przez fotodiodę ulega zmianie.

Tlen to tylko jeden z możliwych celów urządzeń Omenetto. Siatki z osadzonymi w nich przeciwciałami i enzymami mogą wykryć każdą medycznie interesującą cząsteczkę, czy to glukozę, czy marker nowotworowy. A naukowcy z Tufts wyobrażają sobie nie tylko czujniki laboratoryjne, ale także wszczepialne. Szczególnie ważna będzie jedna aplikacja opracowana przez Omenetto: jedwabne światłowody do przenoszenia światła z powierzchni skóry do wszczepionych czujników iz powrotem, tak aby mogło być odczytane przez fotodetektor. Czujniki mogą być wszczepiane podczas operacji, takich jak resekcje guza, a następnie wykorzystywane do monitorowania pacjentów pod kątem oznak infekcji lub nawrotu raka. Omenetto i Kaplan mają również nadzieję na zintegrowanie czujników z przyszłymi strukturami inżynierii tkankowej, które pomogłyby lekarzom śledzić, jak dobrze nowa tkanka jest włączana do organizmu. Urządzenia rozpuszczałyby się nieszkodliwie wraz z resztą struktur podtrzymujących tkanki.

Omenetto mówi, że przyszłe czujniki będą miały konstrukcję, która doprowadzi do bardziej dramatycznych zmian kolorów, gdy czujniki zwiążą się ze swoimi celami. Aby stworzyć czujniki, które można odczytać gołym okiem, zainspirował się innym owadem, motylem morpho. Jego lśniący niebieski kolor nie wynika z pigmentów, ale ze sposobu, w jaki światło oddziałuje z filarami białkowymi w nanoskali na jego skrzydłach. Zmiana struktury filarów eliminuje kolor. Omenetto wyobraża sobie czujnik na jedwabiu ze wzorami struktur w nanoskali, które sprawiają, że wydaje się niebieski; docelowa cząsteczka wiążąca się z białkami w czujniku subtelnie zmieniłaby nanostruktury, powodując zmianę lub zniknięcie koloru. Omenetto mówi, że istnieją podstawowe technologie do tego celu; to po prostu kwestia zaprojektowania odpowiednich form.

ukryć