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使用RFID技术,让芯片植入细胞不是梦

2018年08月07日

  一项新的研究发现,小到可以放入细胞中的电子芯片能够帮助科学家实时跟踪和监视个体细胞的行为。研究者表示,这些独立的装置能够帮助我们分析从个体细胞发源的疾病。

  这种新型的电子设备就是微型射频识别(RFID)标签(以下统称“RFID标签”),它们的本质是一种可以从远处识别的条形码。

  RFID标签通常包含一个微型芯片和一个连接其上的天线。在它的附近会有一个可以向其发射电磁信号的读取器(一般被称为收发器),然后RFID标签可以根据自己储存的数据,例如它的身份、生产日期、地点和储存处理方法等,对读取器做出响应。许多RFID标签没有不内置电池,相反它们依赖读取器所发射的信号中的能量来传输信息。

  时至今日,RFID标签已经在钥匙卡、收费通行证、图书馆书籍和许多其他物品中得以应用。但是,典型的RFID标签的尺寸介乎毫米到厘米之间。相比之下,这些新兴的RFID标签的大小只有22微米,大约是人类头发平均直径的五分之一。在7月26日上线的《应用物理评论》(Physical Review Applied)中,研究人员详细报道了这一研究。他们表示,这使得它们(新兴的RFID标签)成为了已知最小的RFID标签。

使用RFID技术,让芯片植入细胞不是梦

  RFID标签也应用在酒店房卡的开门系统上。

  制造材料

  这种新兴的RFID标签由两个金属层制成,一层由5 nm厚的钛膜和200 nm厚的金膜构成,另一层由1000 nm宽的铝层构成,两层之间夹了16 nm厚的二氧化铪绝缘层。

  八边形设计

  每个标签的形状都是八边形。研究的主要作者,加州斯坦福大学的胡晓琳(Jasmine Xiaolin Hu)表示,八边形是最接近圆形的形状,而圆形则是能够与来自读取器的电磁场互动的最佳形状。最终,这个器件会以二氧化硅(和沙子的材质相同)完全封装来保证其生物应用的安全性。

  我们甚至可以利用圆形来画出八角形。

  功能更强大

  传统的RFID读取器仅使用一个天线与标签通讯。而在新兴的RFID读取器上,研究人员使用了两个天线,每个天线大约是新兴RFID标签直径的两倍。这样的做法可以将标签上的信号幅度增强10倍以上,并且在检测上区分出“一个在复杂生物环境中移动的被标记的细胞”和“在几微米外与读取器失去连接的细胞”的分别。

  胡晓琳说,尽管新兴的RFID标签仍然比许多细胞大,但它们能“应用在很多令人感兴趣的细胞上”,例如小鼠体内的黑色素瘤细胞、人类体内的黑色素瘤细胞、乳腺癌细胞、结肠癌细胞和健康的结缔组织细胞,这些都是研究人员发现的“令人感兴趣的细胞”。

  未来研究方向

  研究人员计划在几微米范围内监视在微型硅橡胶通道中移动的被标记的活细胞。胡晓琳道,“传感器和其他设备能够与这些微型标签结合来测量和展示很多事物,我们将实现此前从未有过的活细胞内的控制 。未来的研究还可以探索发展更小的标签并找到持续跟踪它们的方法。”

  来自休斯顿卫理公会研究所、未参与此项研究的生物工程师、系统生物学家史蒂芬·王(Stephen Wong)表示,“这是第一步我们在过程中不以探测、干扰细胞膜或破坏细胞的‘冒风险’方式向外界发送细胞的信号,它开启了活细胞研究的全新世界。”

  这项将电子器件内置于细胞内的能力,将能够史无前例地帮助研究者理解并操纵细胞的行为。胡晓琳解释,“多数疾病的过程发源于一个到几个细胞的水平,但现在我们没有技术来检测人体中的个体细胞。如果能跟踪和监测个体细胞,也许就能在早期检测到疾病,这样就能尽早启动治疗,使治疗变得更加有效。”

  举一个例子,一个细胞内的pH传感器将能够帮助测量其酸性。史蒂芬·王认为,“这体现了细胞的健康程度。此外,我们还可以测量葡萄糖来测量细胞代谢过程,以及细胞中许多其他分子。”

  他还表示,未来的研究还应聚焦在扩展研究人员能扫描标签的范围,“目前无线接收器需要离细胞非常近才有用,然而这并不理想。当然,目前研究者所展示的已经是前进的很好一步了。”

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