有一天，医生想为在战斗中失去手臂的士兵，需要新的心脏或肝脏的孩子以及许多其他有关键需求的人。如今，医疗专业人员可以从患者那里嫁接细胞，将其沉积到组织支架上，并将支架插入体内，以鼓励骨骼，软骨和其他专业组织的生长。但是，研究人员仍在努力建立可以植入患者的复杂器官。

美国国家标准技术研究所（NIST）的科学家开发了一个小型传感器，该传感器使用基于光的信号测量pH，这是酸度的测量单元，这是细胞增长研究中的重要特性。相同的基本设计可用于测量其他品质，例如钙，细胞生长因子和某些抗体的存在。

与常规传感器不同，这种测量方法可用于长期（一次数周）中的细胞培养环境监测环境，而无需定期干扰细胞以校准传感仪器。NIST化学家Zeeshan Ahmed说，随​​着几天或几周的慢速变化，它们会实时观察组织的特性，可以极大地使组织工程研究有益于生长牙齿，心脏组织，骨组织等。艾哈迈德说：“我们希望制作可以放入生长组织中的传感器，以便为研究人员提供定量信息。”“组织实际上在生长吗？健康吗？如果您长出骨头，它是否具有正确的机械性能，还是太虚弱以至于无法支撑身体？”

这项工作也可以在组织工程外带来好处，以研究癌症等疾病的进展。美国大学化学家和NIST研究员Matthew Hartings说：“这些传感器可以为人们提供有关组织生长和疾病进展的实时信息。”Hartings说，传统的传感器为研究人员提供了一系列快照，而没有向他们展示这些点之间的路径。但是光子传感器可以为科学家提供连续的信息，相当于GPS导航应用程序的疾病。Hartings说：“我们希望为研究人员提供详细的地图，内容是随着组织以健康的方式生长或患病的增量变化。”“一旦研究人员知道疾病正在服用的'街道'，他们就可以更好地预防或支持正在发生的变化”。

解决的问题

pH的测量是组织工程研究的重要组成部分。随着细胞的生长，它们的环境自然变得更加酸性。如果环境变得过于酸性或太基本，则细胞会死亡。科学家以0（非常酸性）到14（非常碱性）的量表测量pH值，对于大多数pH值为7的狭窄细胞的理想环境。

商业pH仪器高度准确但不稳定，这意味着它们需要频繁的校准才能确保每天准确读数。没有校准，这些常规的pH仪表每天损失高达0.1 pH的准确性。但是组织工程研究是在数周的时间内进行的。干细胞的培养物可能需要生长将近一个月，然后才能变成骨骼。艾哈迈德说：“增量为0.1 pH是显着的。”“如果您的pH值变化1，则杀死细胞。如果几天后，我对我的pH值测量不信任，那么我就不会使用该测量方法。”

另一方面，如果研究人员每次必须测量细胞培养的pH值时都会干扰生长的细胞，那么科学家就会引入另一种不确定性，因为它们正在改变细胞的环境。艾哈迈德说，这种研究需要的是一个测量系统，可以将其与培养基中的细胞保持在孵化器内，并且不需要一次去除或校准数周。

勇敢的新传感器

多年来，艾哈迈德（Ahmed）和他的团队一直在开发光子传感器，小型轻型设备，这些设备使用光学信号来测量包括温度，压力和湿度在内的一系列品质。

这些新型设备中的一些使用商业可用的，柔性的光纤蚀刻为bragg砂光，一种用于反映某些波长并允许其他波长的光的滤光片。温度或压力的变化改变了可以通过光栅的光的波长。

为了使其光子设备适应pH测量，艾哈迈德（Ahmed）和哈丁（Hartings热。艾哈迈德说：“对于每个单独的光子，产生的热量都是很少的能量。”“但是，如果您有很多光子进来，并且有很多分子，那将成为热量的明显变化。”

为了进行演示，科学家使用了一种物质，该物质会因pH的变化而改变颜色，这是许多人在生物学课程中可能记得的材料：红卷心菜汁粉。卷心菜汁会根据溶液的酸度从深紫色的阴影变为浅粉红色。艾哈迈德的光子温度传感器可以拾取颜色的变化。

研究人员用卷心菜汁溶液填满了培养皿。盘子上方放置了一种光纤。它连接到激光指针，并将光线照射到样品中。将第二个光纤物理嵌入液体中。第二个纤维包含Bragg Grating并充当温度传感器。艾哈迈德（Ahmed）的团队手动控制了解决方案的pH。

为了进行测量，研究人员从上方照亮了一种光（例如红色）的光（例如红色）。卷心菜汁根据其颜色以不同程度吸收了红光，这取决于当时溶液的pH值。光子温度计纤维在果汁的热量中捡起了这些轻微的变化。温度的变化会改变光线的波长，该光的光线可以通过纤维的bragg graging。

接下来，研究人员将第二种颜色（例如绿色）照射到液体中，并重复该过程。通过比较每种光的颜色产生了多少热量，研究人员可以确定当时的甘蓝汁的确切颜色，并告诉他们pH值。艾哈迈德说：“从字面上看，‘我们能否将两个激光指针打开和关闭几分钟，看看我们是否可以将其变成pH仪表吗？’”“而且我们能够证明它在宽范围内起作用”，从pH值为4到9或10的pH值。

正在进行的工作表明，光子pH测量值是准确的，可加上0.13个pH单元，并且至少稳定三周，比常规测量值长得多。

超越菜肴

研究人员说，根据他们的组织工程合作者，新的光子传感器可以为所研究的一系列生物系统（尤其是心脏和骨细胞的生长）提供有用的信息。

对于已经进行的下一轮实验，NIST研究人员正在使用另一种称为苯酚红的pH敏感染料。此外，他们正在努力将染料封装在纤维本身周围的塑料涂层中，以免与细胞介质相互作用。在专门从事组织工程的NIST同事的帮助下，该团队还在真实细胞培养中对系统进行了首次测试。

未来的计划包括测量pH之外的数量，这仅需要将苯酚红色换成对任何物业研究人员想要测量的敏感的染料。

NIST的研究人员还将测试细胞培养物如何受到该测量方法导致样品局部区域的轻微临时温度变化（约1-2 kelvin）的影响。艾哈迈德（Ahmed）说，到目前为止，潜在的合作者并不过分关心局部供暖问题，他的团队将尽可能地降低温度变化。

进一步，艾哈迈德（Ahmed）希望该测量方案有可能用于监测真实人体中组织的生长。“The long-term goal is being able to put implantable devices into people where you’re trying to grow bones and muscles, and then hopefully over time the sensors could be designed to dissolve away and you wouldn’t even have to go back in and remove them,” Ahmed said. “That’s the ultimate dream. But baby steps first.”