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編者按：本文介紹了澳洲科學家Khalid及相關科研人員對蠶絲和納米鑽石進行的醫學實驗。長久以來，蠶絲一直被視為一種面料的原材料，而鑽石被認為是一種裝飾品。但在科學家眼中，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，原文标題“Silk & Diamonds: The Fancy End of High-Tech Medicine”.
蠶絲纖維 | 圖檔來自Tufts University
劃重點：
- 納米鑽石因為晶體結構小，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。
- 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。
- 據估計，未來這類由蠶絲包裹的傳感器将會得到更廣泛的醫學應用，包括治療癌症、檢測精子細胞、為大腦做細胞成像檢測、甚至是治療燒傷。
閃爍的納米鑽石
Asma Khalid很喜歡穿絲綢裙子，也喜歡戴鑽石。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，可以利用鑽石和蠶絲在人體内輸送藥物。
Asma Khalid在澳洲墨爾本大學攻讀博士學位時，一直在研究納米鑽石。這種鑽石的晶體結構小于千分之一毫米，外加它作為鑽石在化學性質上呈現惰性，又富有光澤，是以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後、研究員的Khalid 介紹說：“納米鑽石是一種熒光材料，當我們用雷射照射它時，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現在也是澳洲納米級生物光子學中心（CNBP）的副研究員。“是以，我們希望能找到一種材料包裹住這些納米鑽石，讓它的表面變得光滑，同時還能和活體的生物屬性不相克。然後我們就想到了絲綢。”
為什麼選擇絲綢？
絲綢的曆史要追受到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。想要獲得高品質的蠶絲，首先要人工飼養幼蠶，然後等到蠶吐絲作繭之後再将蠶絲抽出來。蠶絲表面之是以反光，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。
蠶絲是一種純天然的生物纖維，可以被活體吸收 | 圖檔來自Ed Schipul/Flickr
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。蠶絲可以提高納米鑽石的亮度。科學家們首先在小白鼠體内植入了蠶絲，發現蠶絲在老鼠體内溶解了，而且老鼠沒有出現任何不良反應。
她将研究成果寫成論文，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将蠶絲應用于生物醫學光學的先鋒。加入Omenetto教授的實驗室後，Khalid就在緻力于生産出無色的絲綢，進而在包裹納米鑽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，将它液化、轉換成薄膜的結構，這種結構可以讓它注入3D列印機裡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鑽石。包裹後的鑽石特别亮，很适合做細胞成像工具。另外，它還很适合作為藥物載體被送到人的體内，用來追蹤和治療癌症。”
“被送進人體内後，蠶絲漸漸溶解，納米鑽石包裹的藥物會被釋放出來，我們可以根據納米鑽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鑽石在生物傳感上的應用。當Khalid回到澳洲并加入墨爾本理工大學後，她也開始着手和塔夫茨大學合作：“我們将研究結果合并在一起，發現這種蠶絲包裹的納米鑽石在成像、傳感、釋放藥物群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将其液化、納米化，進而形成一層纖維塗層——在顯微鏡下，這種塗層是由大小相近的片狀物互相連接配接而成，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 | 圖檔來自CNBP
這一時期，在澳洲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内的反應做測試，她發現可以通過觀察這種纖維在活體内的反應，進而對人體進行醫學監測，而無需像以前那樣從人體内切一塊樣本出來。
“比如說，我們想要探測病人肺部深處的惡性良性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，而是可以在人體内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内進行化學反應。是以相當長一段時間，李文佳一直在尋找可以用來做保護塗層的原料。
李文佳表示很難找到合适的原料，既不會對人體造成傷害，也不會産生化學反應幹擾檢測結果。
這個時候，Khalid建議她使用液态蠶絲做為包裹塗層的材料。兩個人用蠶絲包裹超細纖維，然後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麼簡單！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。我們做的隻是将超細纖維在液體蠶絲中浸泡了30秒！”
改變液态蠶絲的結構
在确定活體對蠶絲不排斥後，下一個挑戰是確定蠶絲裡的傳感器可以正常工作。為了實作這一目标，有機化學家Aimee Horsfall和阿德萊德大學納米級生物光子學中心裡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惡性良性腫瘤裡，它會不會無法正常工作？這種生物傳感器會有什麼局限？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後，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，納米鑽石附在一串蛋白質上，并且靠自身光源照亮了蛋白質 | 圖檔來自Carlo Bradac/CNBP
後來他們将傳感器在合成肽與液态蠶絲混合液中浸泡30秒，然後再在甲醇中浸泡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。我們将包裹好的傳感器植入活體，然後打開雷射，成功獲得了熒光信号。”
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别廣泛，而液态蠶絲将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，将她的研究成果應用到癌症治療中；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、塗有液态蠶絲的磁性例子；最後她還和墨爾本大學合作建立了可以給細胞成像的、由液态蠶絲包裹的金屬氧化物納米顆粒。
此外，她一直在研究如何将蠶絲和其他材料混合，用于處理燒傷等。
Khalid說：“我以前隻把絲綢當面料，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。絲綢和鑽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。”
譯者：Michiko
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原文釋出時間：2020-06-02
本文作者：神譯局
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