長久以來，蠶絲一直被視為一種面料的原材料，而鉆石被認為是一種裝飾品。但在澳大利亞科學家Khalid及相關科研人員眼中，這兩種材料結合在一起，可以制作出強大的傳感器，檢測人類的各類疾病。本文來自Medium，作者Wilson da Silva。

蠶絲纖維 | 圖片來自Tufts University

劃重點：

1. 納米鉆石因為晶體結構小，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，研究人員已經成功測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. 據估計，未來這類由蠶絲包裹的傳感器將會得到更廣泛的醫學應用，包括治療癌癥、檢測精子細胞、為大腦做細胞成像檢測、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，這兩樣東西會成為她職業生涯中最重要的兩種元素。簡單來說，醫學界現在已經發現，可以利用鉆石和蠶絲在人體內輸送藥物。

Asma Khalid在澳大利亞墨爾本大學攻讀博士學位時，一直在研究納米鉆石。這種鉆石的晶體結構小于千分之一毫米，外加它作為鉆石在化學性質上呈現惰性，又富有光澤，因此它在生物學上已經被廣泛應用，成為了一種生物學傳感工具。

現在，已經是墨爾本理工大學的博士后、研究員的Khalid 介紹說：“納米鉆石是一種熒光材料，當我們用激光照射它時，它會持續發光。但是這種材質的表面比較粗糙，喜歡凝結在一起，而且有時候我們希望它能持續發光，它卻總是閃爍不定。” Khalid現在也是澳大利亞納米級生物光子學中心（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年以前的新石器時代，它最早是在中國黃河周圍的仰韶人遺址中發現的。想要獲得高質量的蠶絲，首先要人工飼養幼蠶，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，是因為它的纖維是菱柱狀結構，從不同角度看會出現不同的色彩。

Khalid稱，作為一種自然纖維，蠶絲對人體無毒無害，因為它完全是由蛋白質和氨基酸組成的，在光學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。科學家們首先在小白鼠體內植入了蠶絲，發現蠶絲在老鼠體內溶解了，而且老鼠沒有出現任何不良反應。

她將研究成果寫成論文，發表在《生物醫學光學快報》上。憑借這這份研究成果，她獲得了波士頓塔夫茨大學的獎學金。該學校的Fiorenzo Omenetto教授帶領的團隊恰好就是將蠶絲應用于生物醫學光學的先鋒。加入Omenetto教授的實驗室后，Khalid就在致力于生產出無色的絲綢，從而在包裹納米鉆石時無需擔心遮住它的光澤。

她說：“我學會了如何從蠶繭中提取蠶絲，將它液化、轉換成薄膜的結構，這種結構可以讓它注入3D打印機里和其他生物醫學裝置中。”

她還補充道：“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，用來追蹤和治療癌癥。”

“被送進人體內后，蠶絲漸漸溶解，納米鉆石包裹的藥物會被釋放出來，我們可以根據納米鉆石發出的光來最終藥物的擴散程度。”

當蠶絲包裹住納米傳感器

塔夫茨大學一項重要的研究就是納米鉆石在生物傳感上的應用。當Khalid回到澳大利亞并加入墨爾本理工大學后，她也開始著手和塔夫茨大學合作：“我們將研究結果合并在一起，發現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用。”

Khalid在墨爾本理工大學建造了自己的實驗室，該實驗室的主要任務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，進行健康監測。

Asma Khalid博士在她的工作室 | 圖片來自CNBP

這一時期，在澳大利亞阿德萊德大學納米級生物光子學中心的生物醫學專家李文佳（音譯）正在對超細纖維在人體內的反應做測試，她發現可以通過觀察這種纖維在活體內的反應，從而對人體進行醫學監測，而無需像以前那樣從人體內切一塊樣本出來。

“比如說，我們想要探測病人肺部深處的腫瘤是惡性還是良性，我們現在可以通過測試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，而是可以在人體內植入比頭發還細小的光學纖維，一旦進入人體就可以開始監測，不用等待結果和反應。”但是李文佳需要找到一種可以包裹超細纖維的外層，這樣它才不會在人體內進行化學反應。所以相當長一段時間，李文佳一直在尋找可以用來做保護涂層的原料。

李文佳表示很難找到合適的原料，既不會對人體造成傷害，也不會產生化學反應干擾檢測結果。

這個時候，Khalid建議她使用液態蠶絲做為包裹涂層的材料。兩個人用蠶絲包裹超細纖維，然后在小白鼠身上做生物傳感實驗。李文佳表示：“我真不敢相信居然這么簡單！蠶絲是天然生物材料，小白鼠對它沒有任何排斥反應。整個檢測過程在常溫下就可以完成。我們做的只是將超細纖維在液體蠶絲中浸泡了30秒！”

改變液態蠶絲的結構

在確定活體對蠶絲不排斥后，下一個挑戰是確保蠶絲里的傳感器可以正常工作。為了實現這一目標，有機化學家Aimee Horsfall和阿德萊德大學納米級生物光子學中心里負責傳感器設計的博士Patrick Capon投入了許多努力。

Horsfall說：“我們需要測試這個系統的穩定性。如果我們把傳感器插進某個器官或者腫瘤里，它會不會無法正常工作？這種生物傳感器會有什么局限？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。幾個月的失敗嘗試之后，他們最終找到了一種合成肽，可以調整蠶絲的粘性，讓它緊密地附在傳感器上。

在這個示意圖中，納米鉆石附在一串蛋白質上，并且靠自身光源照亮了蛋白質

后來他們將傳感器在合成肽與液態蠶絲混合液中浸泡30秒，然后再在甲醇中浸泡10秒。Capon 說：“我們改變了蠶絲的結構，讓它變成了一種結晶，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。”

現在，研究人員已經用PH傳感器成功做了實驗，現在他們開始嘗試各類其他傳感器，如過氧化氫傳感器（檢測精子細胞），鈣和鋅等金屬離子傳感器（用于檢測生育和體外受精環境）等。事實上，在醫學界，針對某種疾病的特定傳感器類別廣泛，而液態蠶絲將為傳感器的安全提供一層保障。

更多應用

Horsfall和Capon說：“我們還有很多工作要做，我們對此感到非常興奮。每次開會我們都會想出至少3個新的應用。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？其他生物學家或者臨床醫護人員又能如何應用這些蠶絲？”

與此同時，Khalid還和悉尼的麥格理大學合作，將她的研究成果應用到癌癥治療中；此外，她還和墨爾本理工大學的一個小組合作完成了可以給大腦成像的、涂有液態蠶絲的磁性例子；最后她還和墨爾本大學合作創建了可以給細胞成像的、由液態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：“我以前只把絲綢當面料，但當我參考醫學文獻時，我才意識到：上百年前，人們就已經開始那它當醫療縫合線了。絲綢和鉆石也許是一種裝飾品，但是它們的光學性能很好，在醫療方面也會有廣闊的應用。”