舌頭是我們最柔軟、最靈活，更是最敏感的身體部位之一，其上有著成千上萬(wàn)的機(jī)械受體、味覺(jué)受體和離子通道。模擬出舌頭的味覺(jué)感知能力，無(wú)疑是仿生制備中一項(xiàng)重要嘗試。目前的人造舌頭研究，多基于脂質(zhì)/聚合物膜、人味覺(jué)受體或者剝離上皮細(xì)胞。但是這些研究仍處于初級(jí)階段，選擇性低、檢測(cè)范圍窄。
【研究成果】
近日，韓國(guó)蔚山國(guó)家科學(xué)技術(shù)研究所的 Hyunhyub Ko團(tuán)隊(duì)模擬人體澀味感知的機(jī)制，設(shè)計(jì)了一種基于水凝膠的柔軟人造舌。該工作發(fā)表在《Science Advance》上，題為：“Soft and ion-conducting hydrogel artificial tongue for astringency perception”。這種人造舌頭檢測(cè)范圍廣（1-0.0005 wt%）、靈敏度高（0.292 wt%-1）、響應(yīng)時(shí)間短（~10s），可以有效檢測(cè)出飲料中的澀味程度和水果的成熟度。這項(xiàng)研究為仿真機(jī)器人開發(fā)和味道監(jiān)控設(shè)備發(fā)展提供了有力的研究基礎(chǔ)。
【圖文解析】
1. 澀味可檢測(cè)傳感器的工作原理。
舌頭的表面附著一層數(shù)百微米的唾液薄膜，在味覺(jué)感知中，它可以幫助溶解味覺(jué)成分并使它們能夠與體細(xì)胞結(jié)合或更有效地流過(guò)離子通道。
澀味的感知是基于口腔中唾液蛋白與苦味單寧酸（TA）之間相互作用的，這類多酚與蛋白質(zhì)結(jié)合后形成不溶性的復(fù)合物，沉淀在口腔中而引起口腔干燥，最終引起舌頭上唾液層的破裂而刺激機(jī)械感受器，并向大腦傳遞信號(hào)、感知澀味。
作者們巧妙地利用了這些天然原理，在柔性聚合物基材表面引入柔軟而薄的水凝膠薄膜來(lái)模仿舌頭表面的唾液層，從而達(dá)到人工制備“舌頭”的目的。
在這層水凝膠中，以聚丙烯酰胺為三維網(wǎng)絡(luò)，粘蛋白模擬天然唾液蛋白，氯化鋰作為電解質(zhì)。當(dāng)TA擴(kuò)散到水凝膠中時(shí)，與粘蛋白結(jié)合形成聚集體，對(duì)水凝膠中微孔施加張力而導(dǎo)致原始的微米孔壁被撕裂，建立起納米孔結(jié)構(gòu)，使水凝膠結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致離子導(dǎo)電率的變化。
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2. 粘蛋白和TA的結(jié)合機(jī)理。
粘蛋白是一種啞鈴狀蛋白，主要在人體中起到潤(rùn)滑粘液層的作用。當(dāng)在聚丙烯酰胺水凝膠中存在的大量粘蛋白，粘蛋白聚合物通過(guò)物理纏結(jié)均勻地整合在PAAm水凝膠網(wǎng)絡(luò)中。當(dāng)粘蛋白聚合物與TA混合時(shí)，大的粘蛋白-TA沉淀物的形成導(dǎo)致表面粗糙度（8.8 nm）的增加。通過(guò)傅里葉變換紅外（FTIR）和拉曼光譜學(xué)觀察到粘蛋白和TA的化學(xué)組成和鍵合。在1644和1550 cm-1粘蛋白的特征振動(dòng)峰對(duì)應(yīng)于蛋白質(zhì)的酰胺I和酰胺II。在存在TA的情況下，由于與TA結(jié)合后粘蛋白的骨架構(gòu)象發(fā)生變化，酰胺I和酰胺II譜帶移向更高的波數(shù)（1650和1554 cm-1）。拉曼光譜也可以提供粘蛋白的其他結(jié)構(gòu)信息。1657 cm-1處的酰胺I帶主要?dú)w因于肽羰基的拉伸C=O，但用TA處理后，酰胺I的帶移至1670 cm-1，表明粘蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。
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3. 柔性人造舌的設(shè)計(jì)。
為了制造人造舌，作者設(shè)計(jì)了一種柔性化學(xué)阻滯傳感器，使用仿唾液水凝膠作為柔性基底上的活性層。由于進(jìn)入的味覺(jué)化合物被吸收并在人造舌頭內(nèi)部擴(kuò)散，因此水凝膠需要足夠薄才能達(dá)到較短的擴(kuò)散時(shí)間，同時(shí)還必須足夠厚以防止來(lái)自外部環(huán)境因素的有害干擾。此外，異種水凝膠和電極之間的界面應(yīng)緊密且共形。聚萘二甲酸乙二酯（PEN）由于其化學(xué)和熱穩(wěn)定性（由于存在兩個(gè)稠合的芳環(huán)而產(chǎn)生）而被用作柔性基材。在氧等離子體處理之后，極性羥基和羧基的形成使PEN具有親水性，從而使唾液狀水凝膠能夠附著在基質(zhì)上。硅烷修飾后的基材表面直接進(jìn)行紫外聚合，將一定厚度的水凝膠錨定在基材上。柔性電極在20mm至2mm的彎曲距離內(nèi)保持穩(wěn)定的電阻（?4 ohms），并且在2mm彎曲距離下可進(jìn)行500次多次彎曲循環(huán)。
初始狀態(tài)時(shí)，由于水凝膠微孔的親水性，限制了電解質(zhì)鋰離子的流動(dòng)，人造唾液膜處于低電導(dǎo)率狀態(tài)，此時(shí)水凝膠中大微孔平均孔徑為16.7 μm。一旦暴露于TA，粘蛋白與TA的復(fù)合物在水凝膠內(nèi)部形成疏水性納米通道，產(chǎn)生較小的微孔（?1.3 μm）和納米孔（?211 nm），使鋰離子可以快速流動(dòng)，從而增強(qiáng)了離子通過(guò)分層多孔結(jié)構(gòu)的快速運(yùn)輸，增強(qiáng)了水凝膠的導(dǎo)電率。
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4. 人造舌的傳感器性能。
為了研究人造舌頭的感測(cè)性能，作者檢測(cè)了相對(duì)電流變化與TA濃度的關(guān)系?？梢娊佑|TA后10s內(nèi)電流迅速增加并達(dá)到飽和。這種現(xiàn)象是由于粘蛋白與TA之間的高適配性以及人造舌頭中粘蛋白數(shù)量一定造成的。測(cè)試可見，暴露60s后，該人造舌頭在0.0005 – 1 wt% 的TA濃度范圍，具有0.292 wt%-1的線性敏感度。這種性能在大多數(shù)以往研究中非常罕見，使得這項(xiàng)研究更加的貼近實(shí)際應(yīng)用。
作者接著對(duì)檢測(cè)的可靠性進(jìn)行了表征，人造舌頭對(duì)兩種未知濃度的TA溶液的測(cè)量值與紫外可見吸光度的測(cè)量值僅相差0.42%和0.1%。另外，對(duì)其他類型的多酚衍生物，同樣展現(xiàn)了優(yōu)異的檢測(cè)效果。對(duì)于真實(shí)飲料的澀味評(píng)估，作者采用了葡萄酒和茶作為測(cè)試材料，結(jié)果表明該人造舌頭可以敏感地檢測(cè)出不同種類的葡萄酒和不同沖泡時(shí)間的紅茶。此外，這種人造舌頭還展現(xiàn)出了良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和溫差穩(wěn)定性。
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5. 人造舌的應(yīng)用。
作者最后模擬真實(shí)舌頭的舔舐品嘗過(guò)程，考驗(yàn)了人造舌的舔舐檢測(cè)性能。未成熟的果實(shí)含有大量的多酚類化合物，使果實(shí)澀口。其中，未成熟的柿子含有大量的水溶性單寧酸，引起澀味。在成熟過(guò)程中，由于單寧酸的聚合和縮合，水溶性單寧酸成為水不溶性單寧酸，導(dǎo)致柿子不澀。作者使用人造舌“舔舐”水果的各個(gè)部位，如果核、果肉和果皮，發(fā)現(xiàn)該人造舌頭可以敏感地分辨出成熟與未成熟水果的區(qū)別。
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【總結(jié)展望】
在這項(xiàng)工作中，作者受天然人類“品味”機(jī)制啟發(fā)，仿生制備了一種人造舌頭。該人造舌展現(xiàn)出種種非凡的檢測(cè)分辨能力?？梢酝ㄟ^(guò)在柔性基底上進(jìn)行便捷的UV聚合來(lái)制備，并具有非凡的感應(yīng)功能，為諸如味覺(jué)分辨、評(píng)估，味覺(jué)障礙治療以及仿真機(jī)器人制造提供了非常有力的研究基礎(chǔ)。
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