有一天，醫(yī)生希望為在戰(zhàn)斗中失去手臂的士兵，需要新的心臟或肝臟的孩子以及許多其他有緊急需求的人種植四肢和其他身體組織。如今，醫(yī)療專業(yè)人員可以從患者那里移植細(xì)胞，將其沉積到組織支架上，然后將支架插入體內(nèi)以促進(jìn)骨骼，軟骨和其他專門組織的生長。但是研究人員仍在努力構(gòu)建可以植入患者體內(nèi)的復(fù)雜器官。

美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)的科學(xué)家通過開發(fā)一種有前途的新型光基傳感器來研究實驗室中的組織生長，為這一研究領(lǐng)域提供了支持。

NIST團(tuán)隊的概念驗證工作今天在傳感器和執(zhí)行器B中發(fā)布，展示了一個小型傳感器，該傳感器使用基于光的信號來測量pH(酸度的測量單位)，pH是細(xì)胞生長研究的重要屬性。相同的基本設(shè)計可用于測量其他質(zhì)量，例如鈣，細(xì)胞生長因子和某些抗體的存在。

與常規(guī)傳感器不同，此測量方法可用于長期(一次連續(xù)數(shù)周)監(jiān)視細(xì)胞培養(yǎng)中的環(huán)境，而不必定期打擾細(xì)胞以校準(zhǔn)傳感儀器。NIST的化學(xué)家Zeeshan Ahmed說，在幾天或幾周內(nèi)實時觀察組織的特性(隨著它們緩慢變化)可以極大地有益于組織工程研究，以生長牙齒，心臟組織，骨骼組織等。

艾哈邁德說：“我們希望制造可以放在生長組織內(nèi)的傳感器，以為研究人員提供定量信息。” “組織實際上正在生長嗎?它是否健康?如果您生長骨頭，它具有適當(dāng)?shù)臋C(jī)械性能還是太脆弱而無法支撐身體?”

這項工作可能不僅具有組織工程學(xué)的優(yōu)勢，而且還可以研究癌癥等疾病的進(jìn)展。

美國大學(xué)化學(xué)家和NIST客座研究員Matthew Hartings說：“這些傳感器可以為人們提供有關(guān)組織生長和疾病進(jìn)展的實時信息。” Hartings說，傳統(tǒng)的傳感器為研究人員提供了一系列快照，而沒有顯示它們之間的路徑。但是光子傳感器可以為科學(xué)家提供連續(xù)的信息，相當(dāng)于疾病的GPS導(dǎo)航應(yīng)用程序。

哈廷斯說：“我們希望為研究人員提供隨著組織以健康方式生長或患病而發(fā)生的增量變化的詳細(xì)圖。” “一旦研究人員知道疾病正在蔓延，那么他們就可以更好地預(yù)防或支持患者體內(nèi)正在發(fā)生的變化”。

有待解決的問題

pH值的測量是組織工程研究的重要組成部分。隨著細(xì)胞的生長，其環(huán)境自然會變得更加酸性。如果環(huán)境變得太酸或太堿性，細(xì)胞將死亡?？茖W(xué)家們測量的pH值范圍從0(非常酸性)到14(非常堿性)，對于大多數(shù)細(xì)胞而言，理想的環(huán)境是在pH值為7的狹窄范圍內(nèi)。

商用pH儀器具有很高的準(zhǔn)確性，但不穩(wěn)定，這意味著它們需要頻繁地進(jìn)行校準(zhǔn)以確保日常的準(zhǔn)確讀數(shù)。如果不進(jìn)行校準(zhǔn)，這些傳統(tǒng)的pH計每天就會損失多達(dá)0.1個pH單位的精度。但是組織工程學(xué)研究需要幾周的時間。干細(xì)胞培養(yǎng)物可能需要生長近一個月才能變成骨骼。

艾哈邁德說：“ 0.1 pH的增加很明顯。” “如果您的pH值改變1，則會殺死細(xì)胞。如果幾天后我對我的pH測量結(jié)果一無所知，那么我將不再使用該測量方法。”

另一方面，如果研究人員每次必須測量細(xì)胞培養(yǎng)物的pH值時都會干擾正在生長的細(xì)胞，則科學(xué)家會在測量中引入另一種不確定性，因為它們正在改變細(xì)胞的環(huán)境。

艾哈邁德說，這類研究需要的是一種測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以留在培養(yǎng)箱中，細(xì)胞中的細(xì)胞處于培養(yǎng)基中，無需一次或數(shù)周地取出或校準(zhǔn)。

勇敢的新傳感器

多年以來，艾哈邁德(Ahmed)和他的團(tuán)隊一直在開發(fā)光子傳感器，這是一種小型的輕型設(shè)備，它們使用光信號來測量一系列質(zhì)量，包括溫度，壓力和濕度。

這些新穎的設(shè)備中的一些使用可商購的，用布拉格光柵蝕刻的柔性光纖，布拉格光柵是一種用于反射特定波長并允許其他波長通過的光的濾光器。溫度或壓力的變化會改變可以通過光柵的光的波長。

為了使他們的光子設(shè)備適應(yīng)pH測量，Ahmed和Hartings依靠科學(xué)上一個著名的概念：當(dāng)一個物體吸收光時，吸收的能量“必須到達(dá)某個地方”，艾哈邁德說，在許多情況下，能量轉(zhuǎn)化為能量熱。

艾哈邁德說：“對于每個光子來說，產(chǎn)生的熱量都是非常小的能量。” “但是，如果有很多光子進(jìn)入，并且有很多分子，那么熱量就會發(fā)生明顯的變化。”

為了演示，科學(xué)家使用了一種可響應(yīng)pH值變化而變色的物質(zhì)，這是許多人可能從生物學(xué)課上記住的一種物質(zhì)：紅甘藍(lán)汁粉。卷心菜汁的顏色從深紫色到淡粉紅色，取決于溶液的酸度。艾哈邁德的光子溫度傳感器可以捕捉到這種顏色變化。

研究人員用白菜汁溶液填充培養(yǎng)皿。將一根光纖放置在培養(yǎng)皿上方。將其連接到激光指示器，將光照射到樣品中。將第二光纖物理地嵌入液體中。第二根光纖包含布拉格光柵，并用作溫度傳感器。Ahmed的團(tuán)隊手動控制溶液的pH值。

為了進(jìn)行測量，研究人員從上方將一種顏色的光(例如紅色)照到了樣品中。卷心菜汁根據(jù)其顏色不同程度地吸收紅光，其顏色取決于當(dāng)時溶液的pH值。光子溫度計纖維吸收了果汁熱量的這些細(xì)微變化。溫度的變化會改變可以通過光纖布拉格光柵的光的波長。

接下來，研究人員將第二種顏色的光(例如綠色)照到液體中，然后重復(fù)該過程。

通過比較每種顏色的光產(chǎn)生多少熱量，研究人員可以確定此時白菜汁的確切顏色，并告訴他們pH值。

“從字面上講，我們可以打開和關(guān)閉兩個激光指示器幾分鐘，看看是否可以將其變成pH計?”艾哈邁德說。“而且我們能夠證明它在很寬的范圍內(nèi)起作用”，從pH值為4到pH值為9或10。

正在進(jìn)行的工作表明，光子pH測量精確到正負(fù)0.13個pH單位，并且穩(wěn)定至少三周，比傳統(tǒng)測量更長。

白菜汁之外

研究人員說，根據(jù)他們的組織工程合作者的說法，新的光子傳感器可以為正在研究的一系列生物系統(tǒng)(尤其是心臟和骨骼細(xì)胞的生長)提供有用的信息。

對于正在進(jìn)行的下一輪實驗，NIST研究人員正在使用另一種對pH敏感的染料苯酚紅。此外，他們正在努力將染料包裹在纖維本身周圍的塑料涂層中，以使其不與細(xì)胞介質(zhì)相互作用。在專門從事組織工程研究的NIST同事的幫助下，該小組還在真實細(xì)胞培養(yǎng)中對該系統(tǒng)進(jìn)行了首次測試。

未來的計劃包括測量超出pH值的量，這僅需要將酚紅換成對研究人員想要測量的性質(zhì)敏感的另一種染料。

艾哈邁德(Ahmed)希望在未來更遠(yuǎn)的將來，該測量方案能夠用于監(jiān)視真實人體中組織的生長。

“長期目標(biāo)是能夠?qū)⒅踩胧皆O(shè)備植入您想要生長骨骼和肌肉的人群中，然后希望隨著時間的流逝，傳感器可以被設(shè)計成能溶解掉的，而您甚至不必回去。并刪除它們，”艾哈邁德說。“那是終極的夢想。但是嬰兒要先走。”