長(zhǎng)久以來，蠶絲一直被視為一種面料的原材料，而鉆石被認(rèn)為是一種裝飾品。但在澳大利亞科學(xué)家Khalid及相關(guān)科研人員眼中，這兩種材料結(jié)合在一起，可以制作出強(qiáng)大的傳感器，檢測(cè)人類的各類疾病。本文來自Medium，作者Wilson da Silva。
蠶絲纖維 | 圖片來自Tufts University
劃重點(diǎn)：
1. 納米鉆石因?yàn)榫w結(jié)構(gòu)小，是理想的生物傳感器載體；蠶絲是純天然生物材料，容易被活體吸收，是理想的包裹傳感器的外層。
2. 目前，研究人員已經(jīng)成功測(cè)試了由蠶絲包裹的各類傳感器，如PH傳感器、過氧化氫傳感器、鈣和鋅等金屬離子傳感器。
3. 據(jù)估計(jì)，未來這類由蠶絲包裹的傳感器將會(huì)得到更廣泛的醫(yī)學(xué)應(yīng)用，包括治療癌癥、檢測(cè)精子細(xì)胞、為大腦做細(xì)胞成像檢測(cè)、甚至是治療燒傷。
閃爍的納米鉆石
Asma Khalid很喜歡穿絲綢裙子，也喜歡戴鉆石。但是她沒有想到，這兩樣?xùn)|西會(huì)成為她職業(yè)生涯中最重要的兩種元素。簡(jiǎn)單來說，醫(yī)學(xué)界現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以利用鉆石和蠶絲在人體內(nèi)輸送藥物。
Asma Khalid在澳大利亞墨爾本大學(xué)攻讀博士學(xué)位時(shí)，一直在研究納米鉆石。這種鉆石的晶體結(jié)構(gòu)小于千分之一毫米，外加它作為鉆石在化學(xué)性質(zhì)上呈現(xiàn)惰性，又富有光澤，因此它在生物學(xué)上已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，成為了一種生物學(xué)傳感工具。
現(xiàn)在，已經(jīng)是墨爾本理工大學(xué)的博士后、研究員的Khalid 介紹說：“納米鉆石是一種熒光材料，當(dāng)我們用激光照射它時(shí)，它會(huì)持續(xù)發(fā)光。但是這種材質(zhì)的表面比較粗糙，喜歡凝結(jié)在一起，而且有時(shí)候我們希望它能持續(xù)發(fā)光，它卻總是閃爍不定。” Khalid現(xiàn)在也是澳大利亞納米級(jí)生物光子學(xué)中心（CNBP）的副研究員。“因此，我們希望能找到一種材料包裹住這些納米鉆石，讓它的表面變得光滑，同時(shí)還能和活體的生物屬性不相克。然后我們就想到了絲綢?！?
為什么選擇絲綢？
絲綢的歷史要追受到12000年以前的新石器時(shí)代，它最早是在中國(guó)黃河周圍的仰韶人遺址中發(fā)現(xiàn)的。想要獲得高質(zhì)量的蠶絲，首先要人工飼養(yǎng)幼蠶，然后等到蠶吐絲作繭之后再將蠶絲抽出來。蠶絲表面之所以反光，是因?yàn)樗睦w維是菱柱狀結(jié)構(gòu)，從不同角度看會(huì)出現(xiàn)不同的色彩。
Khalid稱，作為一種自然纖維，蠶絲對(duì)人體無毒無害，因?yàn)樗耆怯傻鞍踪|(zhì)和氨基酸組成的，在光學(xué)特性上又和其他的纖維不同。蠶絲可以提高納米鉆石的亮度?？茖W(xué)家們首先在小白鼠體內(nèi)植入了蠶絲，發(fā)現(xiàn)蠶絲在老鼠體內(nèi)溶解了，而且老鼠沒有出現(xiàn)任何不良反應(yīng)。
她將研究成果寫成論文，發(fā)表在《生物醫(yī)學(xué)光學(xué)快報(bào)》上。憑借這這份研究成果，她獲得了波士頓塔夫茨大學(xué)的獎(jiǎng)學(xué)金。該學(xué)校的Fiorenzo Omenetto教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)恰好就是將蠶絲應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)光學(xué)的先鋒。加入Omenetto教授的實(shí)驗(yàn)室后，Khalid就在致力于生產(chǎn)出無色的絲綢，從而在包裹納米鉆石時(shí)無需擔(dān)心遮住它的光澤。
她說：“我學(xué)會(huì)了如何從蠶繭中提取蠶絲，將它液化、轉(zhuǎn)換成薄膜的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以讓它注入3D打印機(jī)里和其他生物醫(yī)學(xué)裝置中?！?
她還補(bǔ)充道：“我還成功用蠶絲包裹住了納米鉆石。包裹后的鉆石特別亮，很適合做細(xì)胞成像工具。另外，它還很適合作為藥物載體被送到人的體內(nèi)，用來追蹤和治療癌癥?！?
“被送進(jìn)人體內(nèi)后，蠶絲漸漸溶解，納米鉆石包裹的藥物會(huì)被釋放出來，我們可以根據(jù)納米鉆石發(fā)出的光來最終藥物的擴(kuò)散程度?！?
當(dāng)蠶絲包裹住納米傳感器
塔夫茨大學(xué)一項(xiàng)重要的研究就是納米鉆石在生物傳感上的應(yīng)用。當(dāng)Khalid回到澳大利亞并加入墨爾本理工大學(xué)后，她也開始著手和塔夫茨大學(xué)合作：“我們將研究結(jié)果合并在一起，發(fā)現(xiàn)這種蠶絲包裹的納米鉆石在成像、傳感、釋放藥物和組織再生方面都可以有非常廣泛的應(yīng)用?！?
Khalid在墨爾本理工大學(xué)建造了自己的實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室的主要任務(wù)是提取透明蠶絲并將其液化、納米化，從而形成一層纖維涂層——在顯微鏡下，這種涂層是由大小相近的片狀物相互連接而成，可以用來包裹物體表面，進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)。
Asma Khalid博士在她的工作室 | 圖片來自CNBP
這一時(shí)期，在澳大利亞阿德萊德大學(xué)納米級(jí)生物光子學(xué)中心的生物醫(yī)學(xué)專家李文佳（音譯）正在對(duì)超細(xì)纖維在人體內(nèi)的反應(yīng)做測(cè)試，她發(fā)現(xiàn)可以通過觀察這種纖維在活體內(nèi)的反應(yīng)，從而對(duì)人體進(jìn)行醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)，而無需像以前那樣從人體內(nèi)切一塊樣本出來。
“比如說，我們想要探測(cè)病人肺部深處的腫瘤是惡性還是良性，我們現(xiàn)在可以通過測(cè)試PH值、二氧化碳或者其他分子來判斷，而不是像以前那樣，從組織上切除一塊樣本再做活檢?！?
“或者，我們也不需要通過抽血來獲得病人的葡萄糖等成分，而是可以在人體內(nèi)植入比頭發(fā)還細(xì)小的光學(xué)纖維，一旦進(jìn)入人體就可以開始監(jiān)測(cè)，不用等待結(jié)果和反應(yīng)。”但是李文佳需要找到一種可以包裹超細(xì)纖維的外層，這樣它才不會(huì)在人體內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。所以相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間，李文佳一直在尋找可以用來做保護(hù)涂層的原料。
李文佳表示很難找到合適的原料，既不會(huì)對(duì)人體造成傷害，也不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)干擾檢測(cè)結(jié)果。
這個(gè)時(shí)候，Khalid建議她使用液態(tài)蠶絲做為包裹涂層的材料。兩個(gè)人用蠶絲包裹超細(xì)纖維，然后在小白鼠身上做生物傳感實(shí)驗(yàn)。李文佳表示：“我真不敢相信居然這么簡(jiǎn)單！蠶絲是天然生物材料，小白鼠對(duì)它沒有任何排斥反應(yīng)。整個(gè)檢測(cè)過程在常溫下就可以完成。我們做的只是將超細(xì)纖維在液體蠶絲中浸泡了30秒！”
改變液態(tài)蠶絲的結(jié)構(gòu)
在確定活體對(duì)蠶絲不排斥后，下一個(gè)挑戰(zhàn)是確保蠶絲里的傳感器可以正常工作。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，有機(jī)化學(xué)家Aimee Horsfall和阿德萊德大學(xué)納米級(jí)生物光子學(xué)中心里負(fù)責(zé)傳感器設(shè)計(jì)的博士Patrick Capon投入了許多努力。
Horsfall說：“我們需要測(cè)試這個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果我們把傳感器插進(jìn)某個(gè)器官或者腫瘤里，它會(huì)不會(huì)無法正常工作？這種生物傳感器會(huì)有什么局限？這是我們迫切需要搞清楚的問題。”
他們首先從PH傳感器開始。這種傳感器可以用來測(cè)試水性溶液的酸堿值。很快他們就遇到了問題：蠶絲和傳感器無法緊緊包裹在一起。幾個(gè)月的失敗嘗試之后，他們最終找到了一種合成肽，可以調(diào)整蠶絲的粘性，讓它緊密地附在傳感器上。
在這個(gè)示意圖中，納米鉆石附在一串蛋白質(zhì)上，并且靠自身光源照亮了蛋白質(zhì)
后來他們將傳感器在合成肽與液態(tài)蠶絲混合液中浸泡30秒，然后再在甲醇中浸泡10秒。Capon 說：“我們改變了蠶絲的結(jié)構(gòu)，讓它變成了一種結(jié)晶，可以牢牢附在傳感器上。我們將包裹好的傳感器植入活體，然后打開激光，成功獲得了熒光信號(hào)?！?
現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)用PH傳感器成功做了實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在他們開始嘗試各類其他傳感器，如過氧化氫傳感器（檢測(cè)精子細(xì)胞），鈣和鋅等金屬離子傳感器（用于檢測(cè)生育和體外受精環(huán)境）等。事實(shí)上，在醫(yī)學(xué)界，針對(duì)某種疾病的特定傳感器類別廣泛，而液態(tài)蠶絲將為傳感器的安全提供一層保障。
更多應(yīng)用
Horsfall和Capon說：“我們還有很多工作要做，我們對(duì)此感到非常興奮。每次開會(huì)我們都會(huì)想出至少3個(gè)新的應(yīng)用。很多問題可以考慮：我們可以在多少中纖維傳感器上包裹蠶絲？其他生物學(xué)家或者臨床醫(yī)護(hù)人員又能如何應(yīng)用這些蠶絲？”
與此同時(shí)，Khalid還和悉尼的麥格理大學(xué)合作，將她的研究成果應(yīng)用到癌癥治療中；此外，她還和墨爾本理工大學(xué)的一個(gè)小組合作完成了可以給大腦成像的、涂有液態(tài)蠶絲的磁性例子；最后她還和墨爾本大學(xué)合作創(chuàng)建了可以給細(xì)胞成像的、由液態(tài)蠶絲包裹的金屬氧化物納米顆粒。
此外，她一直在研究如何將蠶絲和其他材料混合，用于處理燒傷等。
Khalid說：“我以前只把絲綢當(dāng)面料，但當(dāng)我參考醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)時(shí)，我才意識(shí)到：上百年前，人們就已經(jīng)開始那它當(dāng)醫(yī)療縫合線了。絲綢和鉆石也許是一種裝飾品，但是它們的光學(xué)性能很好，在醫(yī)療方面也會(huì)有廣闊的應(yīng)用?！?
