Cyborg 首部曲：培養內嵌奈米感應器的人造組織

2012/08/30 |

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一個跨單位研究團隊已開發出一種方法，在工程組織（engineered tissues，譯註：指組織工程 Tissue Engineering 產物）中嵌入與生物相容的奈米級導線網路。電子裝置與組織首度以 3D 方式真正地融合在一起的這些網路，允許直接對組織進行感測，而且有可能促進（一種潛在的恩賜）結合監控（monitoring）與刺激（stimulation）的工程組織，以及新藥篩檢裝置的發展。

這個研究團隊 — 由波士頓兒童醫院麻醉科的 Daniel Kohane，MD，PhD、哈佛大學的 Charles M. Lieber，PhD 以及 MIT 的 Robert Langer，ScD 所領導－將其研究報告在 8/26 的《Nature Materials》線上版。

開發生物工程組織的主要挑戰之一是在組織被培養且／或移植後，創造出能夠感應「組織內現在發生什麼事（例如：化學上、電學上）」的系統。同樣地，研究者得努力開發能直接刺激工程組織與測量細胞反應的方法。

「在體內，自律神經系統（autonomic nervous system）持續追蹤 pH、化學物質、氧與其它因子，並在需要時觸發回應，」Kohane 解釋。「我們要能夠模仿身體那種演化而來的固有回饋圈（feedback loops）以便在細胞與組織層級上進行細微控制。」

在自律神經系統的啟發下，Kohane 實驗裡的博士後研究，Bozhi Tian，PhD，及其同僚打造出奈米級矽導線的網狀網路 — 直徑約 80 nm — 形狀像平面，或如棉花糖般的網狀形態（reticular conformation）。網路的孔隙足以讓該團隊種下細胞並促進這些細胞在 3D 培養物中生長。

「先前要打造生物工程感測網路的努力，都聚焦在 2D 佈局上，在此，培養的細胞生長在電子元件上，或有探測器置於組織表面上的共形佈局（conformal layouts）上，」Tian 表示。「能擁有組織 3D 結構內之細胞表現的精確圖像固然很好，但使奈米級探測器不會擾亂細胞或組織架構亦十分重要。」

「目前我們用來監控或與活體系統（living systems）互動的方法有限，」Lieber 說。「我們能用電極來測量細胞或組織內的活動，但那會使它們損傷。透過這項技術，我們首度能在與『生物系統的單位』相同的規模下研究而不會擾亂它。最終，這是關於將組織與電子裝置以某種難以區別的方式融合在一起，在此，組織終結而電子裝置開始。」

「到目前為止，這最靠近我們準備要納入工程組織的電子元件，與細胞外基質（extracellular matrix，在組織內那環繞在細胞四周）結構的大小相似，」Kohane 補充。

利用心臟和神經細胞作為其來源材料，以及選擇某種具生物相容的塗層，這個團隊成功地打造出內含嵌入式奈米級網路的組織，而不會影響細胞的生存或活性。透過這些網路，研究者能偵測位於工程組織深處之細胞所產生的電訊號，以及測量回應心臟或神經刺激藥物時，這些訊號的變化。

最後，這個團隊證明，他們能建構具嵌入式網路的生物工程血管，並利用這些網路來監測血管內外的 pH 變化 — 這會在回應發炎、缺血與其它生醫或細胞環境時見到。

「這項技術可能澈底改變生物工程的某些基本原理，」Kohane 說。「例如，絕大多數的情況下，你的目標是要創造支架（scaffolds）並在上面培養組織，接著讓這些支架分解或溶解。在這裡，支架仍在，而且實際上扮演一個活躍的角色。」

團隊成員從這項技術上看到許多未來的應用，從混合生物工程的「生化人（cyborg）」組織，那感應體內的變化並觸發其他植入式診療裝置的反應（例如：藥物釋出、電刺激），到「實驗室晶片（lab-on-a-chip）」系統的發展，那利用工程組織進行藥物庫的篩檢。

資料來源：Merging bioengineering and electronics: Scientists grow artificial tissues with embedded nanoscale sensors. phys.org [August 26, 2012]

轉載自 only perception