以蠶絲製成「可食用的」光學元件

'Edible optics' could make food safer
http://www.physorg.com/news137324367.html

August 07, 2008

想像一種可食用的光學感應器，那能置於產品袋中以偵測細菌的有害程度並連同蔬菜一起被吃掉。又或著一種植入式裝置，那能夠在一年之內監測你血液中的葡萄糖，接著溶解掉。

Tufts 大學工程學院的科學家首度證明，的確有可能設計出這種「現存的」光學元素，那能使一種全新等級的感應器成為可能。這些感應器結合了精密且具生物讀取功能的奈米光學元件，那具備生物相容性（biocompatible）且能為生物所分解（biodegradable）此外能在不使用有毒化學物質的情況下製造並儲存於室溫中。Tufts 團隊使用來自於蠶的纖維來開發這種平台裝置。

Tufts 大學已對這種基於蠶絲的光學元件提出一些專利申請，並積極探索商業化的良機。

"這種在物理上很強健然，卻完全能被生物所分解、具備生物相容性還能夠被植入的精密光學裝置，今日並不存在，" 首席研究者 Fiorenzo Omenetto 說，生醫工程副教授與物理學副教授。"這樣的系統將大幅擴展當前光學技術在人類與家畜健康、環境監測與食品質量這類領域中的使用。"

"例如，在成本頗低的情況下，我們可能放置一片生物活性蠶絲薄膜（ bioactive silk film）在每一袋波菜中，而它能讓消費者得知大腸桿菌是否在袋中 -- 在食物被消耗之前，" David Kaplan 解釋，生醫工程教授與系主任。

這項 Tufts 研究發表在 Biomacromolecules 一篇新近的論文中。


光學

目前的光學裝置平台大部分基於玻璃、半導體、塑膠或聚合物。但刺鼻溶劑與極端溫度的需求使得生物活性感應元件根本不可能結合到這些裝置中。化學殘餘物質與缺乏生物可分解的能力也限制了環保與醫療上的應用。此外，生物元件通常得儲存在受控制的溫度下以維持其活性。

能在一個具備生物相容性的裝置上整合光學讀取與生物學的功能，而且不受這些限制約束的可能性，頗為撩人。蠶絲光學元件（Silk optics）已引起國防部門的關注，那提供資金且促使這個主題迅速發展。DARPA 在 2007 年授與 Tufts 一份研究合約，並資助 Tufts 以及其他單位在開創性的計畫上，那有朝一日能產生生物可分解的光感應通訊技術。


蠶絲 -- 生物可分解光學元件的天然產物

絲蛋白，實際上是種能整合光學與生物學功能的天然產物。它們在常溫下能在水中被加工，而且能在奈米尺度下構成圖案（patterned）以產生一系列光學元素，包括超薄薄膜、較厚的薄膜以及奈米等級且大直徑的纖維。絲蛋白也提供優異的表面特性（quality）與透明度，那是高品質光學元件的特權（perquisites）。同樣重要的是，它們在物理上十分強健。

"由蜘蛛與蠶所吐出來的絲代表已知最強且最堅韌的自然纖維。當與傳統聚合物相較時，它們為功能化（functionalization）、加工與生物學整合提供了許多機會，" Kaplan 說，一位自然生物材料，例如絲，的專家。

為了構成裝置，Tufts 科學家將家蠶（Bombyx mori，又稱桑蠶）的繭在水溶液中煮沸並取出膠狀的絲膠蛋白（sericin proteins）。純化過的絲蛋白溶液被注入有直線與全像繞射光柵（ruled and holographic diffraction gratings）的陰模（negative molds，反紋模）中，其間距可達 3600 grooves/mm 這麼細緻。這些被澆鑄的絲溶液被晾乾且創造出固態的、絲蛋白絲薄膜（fibroin silk films），那能夠在水中被校正（cured）、乾燥並在光學上被評估。類似的步驟會被遵循以創造出透鏡、微透鏡陣列與全像圖（holograms）。厚度在 10 - 100 μm 的薄膜則將它們的透明度與光學特性特徵化。

光學元素的多樣化與特性能有利地與傳統平台相較，而且勝過常用的生物聚合物。

然而，根據 Tufts 研究者，此平台最令人矚目的特徵是，這些元素完全都在水一般的環境中製備、加工與最佳化，而且是在常溫下。這使得包含溶液中敏感生物「受體」成為可能，那使得溶液在乾燥變硬成為自由矗立的蠶絲光學元素（silk optical element）之後仍維持其活性。


無須冷藏

Tufts 團隊將三種十分不同的生物工程製劑埋入蠶絲溶液中：一種蛋白質（hemoglobin，血紅素）、一種酵素（horseradish peroxidase，辣根過氧化酶）以及一種有機的 pH 指示劑（phenol red，酚紅）。當硬化的蠶絲光學元素被儲存於架上時，其中三種製劑全都長期維持其活性。"我們有嵌入酵素的光學裝置，那在室溫下儲存近乎一年後仍具備活性。這真的很驚人，因為這些酵素如果被遺忘而且幾天內沒冷藏就會失去活性，" Omenetto 說。

研究者亦發現要透過蠶絲光學元件來改變光的傳播是可能的，那是嵌入其中之摻雜物的功能之一，能藉此創造出生物活動的光學訊號。

※ 相關報導：

＊ Bioactive Silk Protein Biomaterial Systems for Optical Devices
http://pubs.acs.org/cgi-bin/abstract.cgi/bomaf6/2008/9/i04/abs/bm701235f.html

Brian D. Lawrence, Mark Cronin-Golomb, Irene Georgakoudi,
David L. Kaplan, and Fiorenzo G. Omenetto
Biomacromolecules, 9 (4), 1214–1220, 2008.
doi: 10.1021/bm701235f

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