新的光子pH传感器跟踪实验室生长的组织-帮助推进生长的四肢和器官

时间:2019-12-26 11:11 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

新的光子pH传感器跟踪实验室生长的组织-帮助推进生长的四肢和器官

利用光跟踪实验室培养的组织:新的概念验证光子pH传感器可以促进组织再生的研究。

总有一天,医生们会为在战争中失去手臂的士兵、需要心脏或肝脏移植的儿童以及其他需要移植器官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,然后将支架插入体内,以促进骨骼、软骨和其他特殊组织的生长。但研究人员仍在努力构建可以植入病人体内的复杂器官。

美国国家标准与技术研究所(NIST)的科学家通过开发一种有前途的新型光传感器来支持这一领域的研究。

NIST团队今天在《传感器和执行器B》上发表的概念验证工作,演示了一个小型传感器,它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用于测量其他质量,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监测细胞培养环境一次几个星期——不需要定期干扰细胞来校准传感仪器。NIST的化学家Zeeshan Ahmed说,实时观察组织在几天或几周内缓慢变化的特性,可以极大地帮助组织工程研究培育牙齿、心脏组织、骨组织等。

“我们想制造可以植入生长组织的传感器,为研究人员提供定量信息,”艾哈迈德说。“组织真的在生长吗?”这是健康的吗?如果你长出了一根骨头,它是否有合适的机械性能,或者它是否太弱而不能支撑身体?”

这项工作除了组织工程外,还可以用于研究癌症等疾病的进展。

“这些传感器可以为人们提供有关组织生长和疾病进展的实时信息,”美国大学化学家、NIST客座研究员马修·哈廷说。传统的传感器给了研究人员一系列的快照,却没有显示这些点之间的路径,harings说。但是光子传感器可以为科学家提供连续的信息,相当于疾病的GPS导航应用。

“我们希望为研究人员提供一份详细的地图,以了解当组织以健康的方式生长或患病时所发生的增量变化。”德国哈丁说。“一旦研究人员知道了‘街道’一种疾病正在发生,他们就能更好地预防或支持正在发生的变化。在病人体内。

要解决的问题

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,它们的环境自然会变得更酸。如果环境变得太酸,或者太简单;细胞会死亡。科学家测量pH值的范围从0(非常酸性)到14(非常碱性),对于大多数细胞来说,pH值在7左右的狭窄范围内是一个理想的环境。

市面上的酸碱值测量仪器准确度很高,但不稳定,这意味着它们需要经常校准,以确保每天的读数准确。如果不进行校准,这些传统的pH计每天会损失0.1个单位的准确度。但是组织工程的研究是在几周内进行的。干细胞培养可能需要将近一个月的时间才能发育成骨骼。

“pH值增加0.1是很重要的,”艾哈迈德说。“如果你的pH值改变1,你就杀死了细胞。如果过了几天,我对我的pH值测量结果没有任何把握,那么我就不会使用这种测量方法。”

另一方面,如果研究人员每次测量细胞培养物的pH值时都会干扰正在生长的细胞,那么科学家们就在他们的测量中引入了另一种不确定性,因为他们改变了细胞的pH值。环境。

艾哈迈德说,这类研究需要的是一种测量系统,它可以与细胞一起待在培养箱中,不需要一次移除或校准数周。

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勇敢的新传感器

多年来,Ahmed和他的团队一直在开发光子传感器,这是一种小型的轻量级设备,使用光学信号来测量一系列的质量,包括温度、压力和湿度。

这些新设备中有一些使用的是商业上可以买到的、带有布拉格光栅的柔性光纤。布拉格光栅是一种滤光器,它可以反射某些波长的光,并允许其他波长的光通过。温度或压力的变化会改变通过光栅的光的波长。

为了使他们的光子设备适应pH值测量,Ahmed和harings依赖于一个科学上众所周知的概念:当一个物体吸收光时,吸收的能量“必须去到某个地方”,艾哈迈德说,在很多情况下,能量会转化成热量。

“对于每一个光子,产生的热量是非常少的能量,”艾哈迈德说。“但是如果你有很多光子进来,你有很多分子,这就变成了一个可观的热量变化。”

在他们的演示中,科学家们使用了一种可以根据pH值的变化改变颜色的物质,这种物质很多人可能还记得生物课上讲过:红甘蓝汁粉。卷心菜汁根据溶液的酸度从深紫色变成浅粉红色。这种颜色的变化可以被艾哈迈德的光子温度传感器捕捉到。

研究人员将卷心菜汁溶液注入培养皿中。一根光纤安装在碟形天线的上方。它被连接到一个激光指示器上,将光照射到样品上。第二根光纤被物理地嵌入液体中。这第二根光纤包含了布拉格光栅,充当温度传感器。Ahmed的团队手动控制溶液的pH值。

为了进行测量,研究人员用一种颜色的光进行照射例如红色从上面的样本中。卷心菜汁根据颜色对红光的吸收程度不同,这取决于当时溶液的pH值。光子温度计光纤捕捉到了果汁热量的这些细微变化。温度的变化会改变通过光纤布拉格光栅的光的波长。

接下来,研究人员照射第二种颜色的光如绿色-倒入液体,重复这个过程。

通过比较每种颜色的光产生的热量,研究人员可以确定当时卷心菜汁的确切颜色,并告诉他们酸碱度。

“从字面上看,我们说,‘我们能把两个激光指示器打开和关闭几分钟,看看我们是否能把它变成一个pH计吗?’”艾哈迈德说。我们能够证明它在很广的范围内都是有效的。pH值从4到9或10。

正在进行的工作表明,光子的pH值测量精度为正负0.13个pH单位,并且至少在三周内保持稳定,比传统测量长得多。

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除了卷心菜汁

研究人员表示,根据他们的组织工程合作者,新的光子传感器可以为一系列正在研究的生物系统提供有用的信息,特别是心脏和骨骼细胞的生长。

在他们已经开始的下一轮实验中,NIST的研究人员使用了另一种对ph敏感的染料——酚红。此外,他们正在努力将染料封装在纤维本身周围的塑料涂层中,这样它就不会与细胞介质相互作用。在NIST专攻组织工程的同事的帮助下,该团队还在真实的细胞培养中对该系统进行了第一次测试。

未来的计划包括测量pH值以外的量,这只需要简单地把酚红换成一种对研究人员想要测量的任何性质都敏感的不同染料。

NIST的研究人员还将测试这种测量方法所导致的样品局部区域的温度变化(大约1-2开尔文)是如何影响细胞培养的。Ahmed说,到目前为止,潜在的合作者并没有过度关注局部加热的问题,他的团队将努力尽可能减少温度的变化。

在更遥远的未来,Ahmed希望这个测量方案可以用于监测人体组织的生长。

“我们的长期目标是将可植入的设备植入人体,使其能够生长骨骼和肌肉,希望随着时间的推移,传感器能够被设计成可以溶解掉,这样你就不必再回到体内移除它们了。”艾哈迈德说。“这是终极梦想。但要循序渐进。”

参考文献:“一种基于光热光谱的光子pH传感器”由马修·R。德国哈丁,内森·J。卡斯特罗,Kathryn Gill和Zeeshan Ahmed, 2019年9月5日,传感器和驱动器B:化学。

DOI: 10.1016 / j.snb.2019.127076

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