麻省理工学院的工程师和生物学家合作设计了一种“活性材料”——植入活细胞的水凝胶片。
该薄膜坚韧、有弹性且具有生物相容性，植入的细胞经过基因改造，在接触特定化学物质时会发光。
在《美国国家科学院院刊》上发表的一篇论文中，研究人员展示了该材料作为监测环境或人体中化学物质的新型传感器的潜力。
研究人员发现，水凝胶富含水分的环境有助于营养物质的保留，并且转基因细菌能够存活并保持活性。
如图所示，细菌经过基因编程，在对特定化学物质做出反应时会发光。
该团队使用嵌入细胞的水凝胶来制造各种可穿戴传感器，包括当指尖接触化学污染的表面时会发光的橡胶手套。
还发明了一种绷带，当涂在涂有化学物质的人体皮肤上时，它会变得闪亮。
麻省理工学院机械工程系副教授赵宣和表示，其团队开发的活性材料在检测化学物质和污染物方面具有广阔的应用空间。
例如，从犯罪现场调查到法医学，从污染监测到医疗诊断等领域。
“通过这种设计，人们可以将不同类型的细菌放入设备中，以指示环境中的毒素或皮肤上的疾病。
”生物工程、电气工程和计算机科学副教授蒂莫西·卢(Timothy Lu)说。
“我们的研究结果表明了活性材料和相关器件的应用潜力。
“为材料带来生命”卢和他在麻省理工学院合成生物学小组的同事们专门研究生物电路，对活细胞内的生物质进行基因重编程，例如大肠杆菌，从而使它们可以以有序的方式发挥作用，就像电路中的逻辑步骤一样，科学家可以利用这种方法重新设计细胞来执行特定的功能，例如感知病毒和毒素的存在并发出信号。
细胞只能在培养皿中生存，科学家可以在培养皿中仔细控制保持细胞活性所需的各种营养水平，而在合成材料中很难复制这种环境条件，“制造活性材料的第一个挑战是如何。
培养这些活细胞，使它们能够存活并发挥某些功能。
”卢说。
“培养细胞需要湿度、营养，有些还需要氧气。
第二个挑战是如何防止它们从材料中浸出。
”为了克服这些障碍，其他研究人员正在使用基因工程细胞的冻干化学提取物，并将它们组合到纸张中，以创建用于病毒检测的低成本诊断测试条.但卢认为，提取物与活细胞不同，可以更长时间地维持其功能，并且在检测病原体方面具有更高的灵敏度。
其他研究小组将心肌细胞接种到橡胶膜上，以制造柔软的“活的”执行器或机器人。
然而，当反复弯曲时，这些膜材料可能会破裂，导致活细胞泄漏。
充满活力的细胞主持人赵教授的团队在麻省理工学院活性软材料实验室开发了一种新材料——水凝胶，这是一种由聚合物和水的混合物组成的高韧性和弹性生物相。
电容材料可能是容纳活细胞的理想选择。
该团队在过去几年中提出了各种水凝胶配方，在他们最新的设计中，含水量高达95%。
赵教授和卢教授一致认为，这种含水材料适合形成支持活细胞生存的环境。
即使经过反复拉伸，该材料也不易破裂，这一特性非常适合容纳活细胞。
通过合作，两个团队成功地将卢的基因重组细菌细胞整合到赵的水凝胶片材料中。
他们首先使用3D打印技术创建水凝胶层，然后使用微成型技术在水凝胶层上创建特定的狭窄通道图案。
然后将水凝胶粘合到一层弹性体或橡胶上，该弹性体或橡胶层必须具有足够的多孔性以允许氧气进入。
最后，他们将大肠杆菌细胞注入水凝胶的通道中。
当某些化学物质通过水凝胶与细胞接触时，细胞会根据设计的遗传功能发出荧光或发光。
在这种情况下，会产生一种称为 DAPG 的物质。
然后研究人员将水凝胶/弹性体材料浸泡在营养液中，让水凝胶充满营养物质，以确保内部的细菌细胞能够存活数天。
为了展示该材料的潜在用途，研究人员首先创建了一张具有四个独立狭窄通道的材料，每个通道都包含一种细菌，每种细菌都设计用于响应不同的化学物质并发出绿光。
结果是明确无误的：当暴露于与每种细菌相对应的化学物质时，所有四个通道都成功点亮。
接下来，研究小组将这种材料制成绷带或“活性贴片”，其中含有对鼠李糖（一种天然存在的糖）敏感的细菌的图案通道。
研究人员用浸有鼠李糖的棉球擦拭志愿者的手腕，然后贴上水凝胶贴片。
“活性贴片”一接触到皮肤就做出反应并开始发光。
最后，研究人员创造了一种水凝胶/弹性体手套，并在指尖设计了漩涡状通道，每个通道都充满了对不同化学物质做出反应的细菌细胞。
每个指尖都会因捏住浸泡在不同化合物中的棉球而发光。
该团队还开发了一个理论模型，以帮助指导其他人设计类似的活性材料和设备。
“理论模型可以帮助我们更有效地设计有源器件。
“它告诉你水凝胶层应该有多厚，通道之间的距离是多少，如何设计通道图案以及使用多少细菌等等，”赵说。
“赵教授最后设想了各种未来可能由活性材料制成的产品，比如能够检测感染或疾病迹象的手套，内衬化学感应水凝胶的橡胶鞋底，或者绷带、贴片，甚至衣服等。
等人这项研究得到了海军研究办公室、美国国家科学基金会和美国国立卫生研究院的部分支持。