Blød og ionledende hydrogel kunstig tunge til astringens opfattelse

Kunstige tunger har fået øget opmærksomhed på grund af deres evne til at opdage de fem grundsmage, men indtil nu har videnskabsmænd ikke været i stand til fuldt ud at muliggøre menneskelig tungelignende biomimik for astringens i laboratoriet. For at efterligne mekanismerne for menneskelig tunge-lignende opfattelse af stringens, Jeonghee Yeom og et team af forskere inden for energiteknik og kemiteknik ved Ulsan National Institute of Science and Technology i Republikken Korea, brugt en spyt-lignende, kemiresistiv ionisk hydrogel forankret til et fleksibelt substrat for at skabe en blød kunstig tunge. De udsatte konstruktionen for astringerende forbindelser og tillod hydrofobe aggregater at dannes i det mikroporøse netværk, omdanner det til en mikro/nanoporøs struktur med forbedret ionisk ledningsevne. Ved at bruge den unikke menneskelige tungelignende struktur, de påviste garvesyre (TA) over et bredt spektrum (0,0005 til 1 vægtprocent) med høj følsomhed og en hurtig responstid. Som et bevis-på-koncept, sensoren registrerede graden af ​​astringens i drikkevarer og frugter baseret på en simpel aftør-og-detektion-metode. Platformen vil have kraftfulde fremtidige applikationer i humanoide robotter og som smagsovervågningsenheder, forskningsarbejdet er nu publiceret på Videnskabens fremskridt .

Tungen er et muskelorgan, der danner et af de blødeste, mest fleksible og følsomme kropsdele, der rummer en række mekaniske receptorer og ionkanaler. En tynd spytfilm på et par hundrede mikrometers tykkelse opretholder tungens fugtighed, og indeholder en blanding af 99 procent vand, en blanding af elektrolytter, immunglobiner og sekretoriske proteiner. Spyt spiller en væsentlig rolle under smagsopfattelse ved at opløse smagsstoffer og lade dem binde til receptorceller eller effektivt strømme gennem ionkanaler. Mennesker kan skelne mellem fem grundlæggende smage, som omfatter søde, sur, bitter, salt og umami. De vandopløselige smage kan påvises via smagsreceptorceller eller ionkanaler, baseret på elektriske signaler, der genereres på grund af depolarisering af receptorceller efter binding af smagskemikalier til søde, bitter og umami fornemmelser. For salt og sur smag afhænger processen af ​​strømmen af ​​natrium- eller hydrogenioner gennem ionkanalerne.

Mennesker kan mærke astringenhed gennem eksponering for polyfenoler, der hovedsageligt findes i umodne frugter, vine og te. De er en stærk antioxidant og antiinflammatorisk stof, men i stand til at fremkalde negative ernæringsmæssige påvirkninger eller blive dødelig i høje doser. Astringerende stoffer kan påvises på grund af den stærke forening af indtaget astringerende smagsstoffer og salviaproteiner, der dækker tungen. Inde i mundhulen, astringerende smagsstoffer kan binde sig til udskilte proteiner og danne uopløselige præcipitater for at krympe epitelet, hvilket forårsager en tør, rynket følelse. Så langt, bioingeniører har ikke udviklet en fuldt fleksibel og blød kunstig tunge, der er selektiv til specifikke astringerende smagsstoffer. I dette arbejde, Yeom et al. efterlignede mekanismerne for menneskelig astringens opfattelse ved at introducere en blød hydrogel-baseret kunstig tunge. De blev bioinspireret af det tynde spytlag på den menneskelige tunge for at skabe en lige så blød og tynd hydrogelfilm på et fleksibelt polymersubstrat via kovalent binding.

Den kunstige tunge indeholdt mucin som et udskilt protein, lithiumchlorid (LiCl), polyacrylamid (PAAm) og et tredimensionelt (3-D) porøst polymernetværk for at tillade en let strøm af elektrolytter. Den bløde hydrogeltykkelse på 200 mikron var sammenlignelig med et faktisk spytlag på en menneskelig tunge og lettede effektiv adsorption og diffusion af astringerende stoffer. Som et eksempel, Yeom et al. brugte garvesyre (TA) under forsøgene. Når TA diffunderede ind i hydrogelmatrixen, indkommende TA-molekyler bundet og kompleksbundet med mucin for at danne hydrofobe aggregater. Processen transformerede den mikroporøse gel til en hierarkisk mikro- eller nanoporøs struktur med forbedret ionisk ledningsevne. Konstruktionen kunne med succes opdage graden af ​​stringens i rigtige drikkevarer og også effektivt overvåge modning af frugter.

Yeom et al. undersøgte bindingsmekanismerne for mucin og tannin og studerede deres kemiske sammensætning ved hjælp af Fourier-transform infrarød (FTIR) og Raman spektroskopier. Vibrationstoppe af mucin svarede til proteinbåndene af amid I og amid II, og det bundne tannin forårsagede en ændring i baggrundskonformation. At designe en fleksibel kemiresistiv sensor ved hjælp af en spytlignende hydrogel og fleksibelt elektrodesubstrat, forskerne brugte poly(ethylennaphthalat) (PEN), efterfulgt af oxygenplasmabehandling for at danne en hydrofil (vandelskende) PEN-overflade til effektiv overfladevedhæftning til det spytlignende PAAm-hydrogel-netværk. De brugte derefter et kemisk forankringsmiddel under ultraviolet (UV) polymerisation til kovalent binding mellem substraterne.

Under sin virkningsmekanisme, mobile LiCl-ioner i det 3-D mikroporøse netværk fik den kunstige spytfilm til at udvise moderat elektrisk ledningsevne, imidlertid, elektrolytter klæbet til de hydrofile mikroporer for dårlig iontransport. Når Yeom et al. introducerede TA til den kunstige tunge, mucin og TA kompleksdannet for at danne hydrofobe aggregater, der forbedrede iontransport gennem den hierarkiske porestruktur. Denne overgang letter astringencens opfattelse via øget ionisk ledningsevne. Holdet kvantificerede den sensoriske ydeevne ved at overvåge de relative ændringer af strøm under forskellige koncentrationer af TA. Sensoren havde et bredt sanseområde og høj følsomhed med mange potentielle fordele i praksis. For at teste strengheden af ​​rigtige drikkevarer, forskerne brugte tre forskellige typer vin, herunder rød, rosé og hvid, samt sort te med forskellige bryggetider. Som med TA før, de overvågede de specifikke aktuelle ændringer for at vurdere standardastringens, hvor rødvin havde den højeste grad af astringens på grund af dens koncentration af tanniner.

Forskerne overvejede derefter stabiliteten af ​​sensorer til anvendelse i den virkelige verden. For at forhindre dehydrering af spytlignende hydrogeler, der primært består af vand, de adopterede LiCl på den kunstige tunge som et ledende og fugtgivende middel. Den kunstige tunge udviste stabile sansepræstationer over et bredt sansetemperaturområde på grund af dens bestanddele mucin. Mens en menneskelig tunge kan opdage spor af en forbindelse ved at slikke den, kunstige tunger har begrænset kapacitet til at påvise sporanalytter. I modsætning, den nye astringenssensor, der er udviklet her, analyserede flydende analytter direkte via et tørre-og-detect-skema i en fleksibel aftørringsproces indbygget i sensorenheden. Holdet testede derefter umoden persimmon ved hjælp af opsætningen, en frugt, der naturligt indeholdt en stor mængde tannin for at fremkalde astringens. Da de fastgjorde den kunstige tunge til kernen i persimmonen, de opdagede relativt høj astringens. Efter modning af frugten, den viste relativt lav astringens. Den nye enhed registrerede forskellige grader af astringens og kan derfor bruges som en bærbar smagskortlægningsenhed baseret på elektriske ændringer inden for specifikke regioner.

På denne måde Jeonghee Yeom og kolleger udviklede en kunstig tunge fuldt inspireret af den menneskelige sansemekanisme. De forberedte den eksperimentelle konstruktion ved hjælp af UV-polymerisation på et fleksibelt substrat for at observere ekstraordinære sanseevner. Den menneskelige tungelignende enhed havde et bredt registreringsområde og en lav grænse for påviselige koncentrationer, samt høj selektivitet fra andre specifikke smage. Holdet udsatte enheden for astringerende forbindelser og registrerede dens virkningsmekanisme. De agter at optimere proteiner, der udgør den kunstige konstruktion, yderligere for at forbedre dets universelle sansningsevne. De fremragende resultater opnået for den kunstige tungesensor gør den attraktiv til smagskvantificering eller -evaluering, at studere smagsforstyrrelser, og til integration i humanoide robotter.

© 2020 Science X Network