Konstgjorda tungor har fått ökad uppmärksamhet på grund av sin förmåga att upptäcka de fem grundsmakerna, men hittills har forskare inte fullt ut kunnat möjliggöra mänsklig tungliknande biomimik för sammandragning i labbet. För att efterlikna mekanismerna för mänsklig tungliknande uppfattning om sammandragning, Jeonghee Yeom och ett team av forskare inom energiteknik och kemiteknik vid Ulsan National Institute of Science and Technology i Republiken Korea, använde en salivliknande, kemiresistiv jonisk hydrogel förankrad till ett flexibelt substrat för att skapa en mjuk konstgjord tunga. De exponerade konstruktionen för sammandragande föreningar och tillät hydrofoba aggregat att bildas i det mikroporösa nätverket, omvandla den till en mikro/nanoporös struktur med förbättrad jonledningsförmåga. Genom att använda den unika mänskliga tungliknande strukturen, de upptäckte garvsyra (TA) över ett brett spektrum (0,0005 till 1 viktprocent) med hög känslighet och snabb svarstid. Som ett proof-of-concept, sensorn detekterade graden av sammandragning i drycker och frukter baserat på en enkel torka-och-upptäck-metod. Plattformen kommer att ha kraftfulla framtida tillämpningar i humanoida robotar och som smakövervakningsenheter, forskningsarbetet är nu publicerat på Vetenskapens framsteg .

Tungan är ett muskelorgan som bildar ett av de mjukaste, mest flexibla och känsliga kroppsdelar som innehåller en rad mekaniska receptorer och jonkanaler. En tunn spottfilm på några hundra mikrometers tjocklek upprätthåller tungans fuktighet, och innehåller en blandning av 99 procent vatten, en blandning av elektrolyter, immunglobiner och sekretoriska proteiner. Saliv spelar en betydande roll under smakuppfattning genom att lösa upp smakämnen och låta dem binda till receptorceller eller effektivt flöda genom jonkanaler. Människor kan urskilja fem grundläggande smaker, som inkluderar sött, sur, bitter, salt och umami. De vattenlösliga smakerna kan detekteras via smakreceptorceller eller jonkanaler, baserat på elektriska signaler som genereras på grund av depolarisering av receptorceller efter bindning av smakkemikalier för sött, bitter och umami sensationer. För salta och sura smaker beror processen på flödet av natrium- eller vätejoner genom jonkanalerna.

Människor kan känna sammandragning genom exponering för polyfenoler som främst finns i omogna frukter, viner och teer. De är en stark antioxidant och antiinflammatorisk substans, men kan framkalla negativa näringspåverkan eller bli dödlig i höga doser. Sammandragande ämnen kan upptäckas på grund av den starka associationen av intagna sammandragande smakämnen och salviaproteiner som täcker tungan. Inne i munhålan, sammandragande smakämnen kan binda till utsöndrade proteiner och bilda olösliga fällningar för att krympa epitelet vilket orsakar en torr, rynkig känsla. Än så länge, bioingenjörer har inte utvecklat en helt flexibel och mjuk konstgjord tunga som är selektiv för specifika sammandragande smakämnen. I det här arbetet, Yeom et al. efterliknade mekanismerna för mänsklig sammandragningsuppfattning genom att introducera en mjuk hydrogelbaserad konstgjord tunga. De var bioinspirerade av det tunna salivskiktet på den mänskliga tungan för att skapa en lika mjuk och tunn hydrogelfilm på ett flexibelt polymersubstrat via kovalent bindning.

Den konstgjorda tungan innehöll mucin som ett utsöndrat protein, litiumklorid (LiCl), polyakrylamid (PAAm) och ett tredimensionellt (3-D) poröst polymernätverk för att möjliggöra ett enkelt flöde av elektrolyter. Den mjuka hydrogeltjockleken på 200 mikron var jämförbar med ett verkligt salivskikt på en mänsklig tunga och underlättade effektiv adsorption och diffusion av sammandragande ämnen. Som ett exempel, Yeom et al. använde garvsyra (TA) under experimenten. När TA diffunderade in i hydrogelmatrisen, inkommande TA-molekyler bundna och komplexbundna med mucin för att bilda hydrofoba aggregat. Processen förvandlade den mikroporösa gelén till en hierarkisk mikro- eller nanoporös struktur med förbättrad jonledningsförmåga. Konstruktionen kunde framgångsrikt upptäcka graden av sammandragning i riktiga drycker och övervakade också effektivt mognaden av frukter.

Yeom et al. undersökte bindningsmekanismerna för mucin och tannin och studerade deras kemiska sammansättning med Fourier-transform infraröd (FTIR) och Raman-spektroskopi. Vibrationstoppar av mucin motsvarade proteinbanden av amid I och amid II och det bundna tanninet orsakade en förändring i bakgrundskonformation. För att designa en flexibel kemiresistiv sensor som använder en salivliknande hydrogel och flexibelt elektrodsubstrat, forskarna använde poly(etylennaftalat) (PEN), följt av syrgasplasmabehandling för att bilda en hydrofil (vattenälskande) PEN-yta för effektiv ytfästning till det salivliknande PAAm-hydrogelnätverket. De använde sedan ett kemiskt förankringsmedel under ultraviolett (UV) polymerisation för kovalent bindning mellan substraten.

Under dess verkningsmekanism, mobila LiCl-joner i det 3-D mikroporösa nätverket fick den konstgjorda salivfilmen att uppvisa måttlig elektrisk ledningsförmåga, dock, elektrolyter vidhäftade de hydrofila mikroporerna för dålig jontransport. När Yeom et al. introducerade TA till den konstgjorda tungan, mucin och TA komplexbildades för att bilda hydrofoba aggregat som förbättrade jontransport genom den hierarkiska porstrukturen. Denna övergång underlättade astringensuppfattning via ökad jonledningsförmåga. Teamet kvantifierade den sensoriska prestandan genom att övervaka de relativa förändringarna av ström under olika koncentrationer av TA. Sensorn hade ett brett avkänningsområde och hög känslighet med många potentiella fördelar i praktiken. För att testa strängheten hos riktiga drycker, forskarna använde tre olika typer av vin, inklusive rött, rosé och vitt, samt svart te med olika bryggtider. Som med TA tidigare, de övervakade de specifika aktuella förändringarna för att bedöma standardadstringens, där rött vin hade den högsta graden av sammandragning på grund av sin koncentration av tanniner.

Forskarna övervägde sedan stabiliteten hos sensorer för verkliga tillämpningar. För att förhindra uttorkning av salivliknande hydrogeler som huvudsakligen består av vatten, de antog LiCl på den konstgjorda tungan som ett ledande och återfuktande medel. Den konstgjorda tungan visade stabila avkänningsprestanda över ett brett avkänningstemperaturintervall på grund av dess beståndsdel mucin. Medan en mänsklig tunga kan upptäcka spår av en förening genom att slicka den, konstgjorda tungor har begränsad kapacitet att upptäcka spåranalyter. I kontrast, den nya astringenssensorn som utvecklats här analyserade direkt flytande analyter via ett torka-och-upptäck-schema i en flexibel avtorkningsprocess inbyggd i sensorenheten. Teamet testade sedan omogen persimmon med hjälp av installationen, en frukt som naturligt innehöll en stor mängd tannin för att framkalla sammandragning. När de fäste den konstgjorda tungan till kärnan av persimmon, de upptäckte relativt hög sammandragning. När frukten mognar, den visade relativt låg sammandragning. Den nya enheten upptäckte olika grader av sammandragning och kan därför användas som en bärbar smakkartläggningsenhet baserad på elektriska förändringar inom specifika regioner.

På det här sättet, Jeonghee Yeom och kollegor utvecklade en konstgjord tunga helt inspirerad av den mänskliga avkänningsmekanismen. De förberedde den experimentella konstruktionen med UV-polymerisation på ett flexibelt substrat för att observera extraordinära avkänningsförmåga. Den mänskliga tungliknande enheten hade ett brett avkänningsområde och en låg gräns för detekterbara koncentrationer, samt hög selektivitet från andra specifika smaker. Teamet exponerade enheten för sammandragande föreningar och registrerade dess verkningsmekanism. De avser att ytterligare optimera proteinerna som utgör den artificiella konstruktionen för att förbättra dess universella avkänningsförmåga. De enastående resultaten som erhålls för den konstgjorda tungsensorn gör den attraktiv för smakkvantifiering eller utvärdering, att studera smakstörningar, och för integration inom humanoida robotar.

© 2020 Science X Network