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可監測身體與環境狀況的生物活性油墨科研成功
集萃印花網  2020-06-28

    【集萃網觀察】

    導讀

    據美國塔夫茨大學官網近日報道,該校研究人員開發出基于生物材料的新型油墨。這種油墨以復雜的圖案和高分辨率的方式絲網印刷到衣服、鞋子、甚至是面罩等織物上,檢測與量化身體表面的各種生物條件、分子以及可能的病原體。

    背景

    可穿戴傳感設備在監測人類表現和健康方面引起了相當大的興趣。許多這樣的設備已經被發明出來,在可穿戴貼片、腕帶及其他配置中加入電子器件,監測局部或整體的生理信息,例如心率或血糖等。

    下面舉三個例子,帶大家回顧一下:

    1.韓國首爾基礎科學研究院領導的科研團隊采用石墨烯材料制成的柔性可穿戴設備,可以監測血糖并治療糖尿病。

    2.美國國麻省理工學院的研究人員開發出一項稱為“電子織物合身套裝(E-TeCS)”的新技術,可以將電子傳感器集成到彈性織物中,創造出可用于監測溫度、呼吸、心率等生命體征的T恤衫或其他服裝。

    3.美國西北大學的研究團隊開發的一款柔性微流體設備,它可以很方便地貼在皮膚上,測量佩戴者的汗液成分,而監測身體對于運動的反應以及健康狀況。

    創新

    近日,美國塔夫茨大學工學院的研究采用了一種不同的互補性方法,使用可以覆蓋很大的區域(從一個貼片到整個身體甚至更大)的傳感服裝,對理論上非常大量的分析物進行非電子的比色檢測。

    該校研究人員開發出了基于生物材料的新型油墨。這種油墨能通過改變顏色,對身體釋放的或者周圍環境中的化學物質(例如汗液以及其他體液)作出反應并量化。這種油墨能以復雜的圖案以及高分辨率的方式絲網印刷到衣服、鞋子、甚至是面罩等紡織品上,為身體對化學物質的暴露和反應提供詳細的地圖。

    下圖所示:一款通過pH敏感的生物活性油墨絲網印刷的T恤衫,可以提供穿著者身上的pH響應地圖。生物活性油墨的衍生物,可以檢測到身體釋放的或者周圍環境中的其他分子。

    在《先進材料(Advanced Materials)》雜志上報道的可穿戴感知領域的這一進展,可以利用傳統的衣服與制服,同時檢測與量化身體表面的各種生物條件、分子以及可能的病原體。

    論文通訊作者、塔夫茨大學工學院教授 Fiorenzo Omenetto 表示:“使用新型生物活性油墨與非常普遍的絲網印刷技術,為大規模生產具有大量傳感器的可穿戴柔性織物開辟了非常有前景的機遇,這些傳感器可應用于檢測一系列的條件。這些織物最終會出現在工作場所的制服、運動服,或者甚至家具和建筑結構上!

    技術

    制造傳感衣服的成分是生物激活的絲基油墨。這些油墨配方中的可溶性絲基質可通過嵌入各種"報告"分子來進行修飾,例如pH敏感指標,或者像乳酸氧化酶這樣的酶,來指示汗液中的乳酸水平。前者可以是皮膚健康或者脫水的指標,而后者可以指示穿著者的疲勞程度。由于絲素蛋白的多樣性,可以用化學敏感的染料、酶、抗體等活性分子對其進行修飾,創造出許多其他的油墨衍生物。雖然報告分子本身可能是不穩定的,但是當它們嵌入到墨水配方中的絲素蛋白內時,會變得穩定。

    該油墨是通過將增稠劑(海藻酸鈉)和增塑劑(甘油)結合起來,為絲網印刷應用而配制的?山z網印刷的生物油墨能像任何為絲網印刷技術開發的油墨一樣使用,因此不僅可以應用到衣服上,還可以應用到各種表面,例如木材、塑料和紙張,以生成從數百微米到數十米的各種圖案。雖然油墨所呈現的顏色變化能為分析物的存在與否提供一條視覺線索,但是使用相機成像分析掃描服裝或其他材料卻能收集到更精確的數量以及高分辨率亞毫米圖譜信息。

    這項技術建立在同樣的研究人員先前的工作基礎上,他們開發了為噴墨打印配制的生物活性絲基油墨,以創建培養皿、紙傳感器以及實驗室手套,可以通過改變顏色來指示細菌污染。

    價值

    塔夫茨大學工院生物醫學工程系研究助理教授、論文第一作者 Giusy Matzeu 表示:“如果作為服裝穿戴,或者甚至是在大的表面上,例如房間內部,絲網印刷技術提供了相當于覆蓋身體廣泛區域的大型、多路傳感器排列。結合圖像分析,我們可以獲得大面積的高分辨率顏色反應地圖,并更深入地了解整體生理或環境狀態。理論上,我們可以將這種方法擴展到跟蹤空氣質量,或者支持流行病學的環境監測!

    這種方法使用普通印刷技術的這一事實,也為創造性的應用開辟了道路。最近在塔夫茨大學畢業的博士生 Laia Mogas-Soldevila 在 Omenetto 的絲實驗室中進行了這方面的探索。Mogas-Soldevila 制造出了美麗的掛毯,將它們展示在美國和歐洲的博物館中。這些展示是互動式的,參觀者可以將不同的無毒化學物質噴灑到織物上,并觀看圖案的變化。

    Mogas-Soldevila 表示:“這真是一個偉大的例子,展示了藝術和工程是如何相互學習與相互啟發的。這款人工設計的油墨在反應靈敏、互動性強的掛毯和表面中開辟了一個新的維度,而千年歷史的絲網印刷技術為現代化的高分辨率、可穿戴感知表面奠定了一個合適的基礎!

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