有一天，医生希望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紧急需求的人种植四肢和其他身体组织。如今，医疗专业人员可以从患者那里移植细胞，将其沉积到组织支架上，然后将支架插入体内以促进骨骼，软骨和其他专门组织的生长。但是研究人员仍在努力构建可以植入患者体内的复杂器官。

美国国家标准技术研究院(NIST)的科学家通过开发一种有前途的新型光基传感器来研究实验室中的组织生长，为这一研究领域提供了支持。

NIST团队的概念验证工作今天在传感器和执行器B中发布，展示了一个小型传感器，该传感器使用基于光的信号来测量pH(酸度的测量单位)，pH是细胞生长研究的重要属性。相同的基本设计可用于测量其他质量，例如钙，细胞生长因子和某些抗体的存在。

与传统传感器不同，此测量方法可用于长期(一次连续数周)监视细胞培养中的环境，而不必定期打扰细胞以校准传感仪器。NIST的化学家Zeeshan Ahmed说，在几天或几周内实时观察组织的特性(随着它们缓慢变化)可以极大地有益于组织工程研究，以生长牙齿，心脏组织，骨骼组织等。

艾哈迈德说：“我们希望制造可以放在生长组织内的传感器，以为研究人员提供定量信息。”“组织实际上正在生长吗?它是否健康?如果您生长骨头，它具有适当的机械性能还是太脆弱而无法支撑身体?”

这项工作可能不仅具有组织工程学的优势，而且还可以研究癌症等疾病的进展。

美国大学化学家和NIST客座研究员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，而没有显示它们之间的路径。但是光子传感器可以为科学家提供连续的信息，相当于疾病的GPS导航应用程序。

我们希望为研究人员提供随着组织以健康方式生长或患病而发生的增量变化的详细图。一旦研究人员知道某种疾病正在蔓延的“街道”，那么他们就可以更好地预防或支持患者体内正在发生的变化。

美国大学化学家兼NIST客座研究员Matthew Hartings

要解决的问题

pH值的测量是组织工程研究的重要组成部分。随着细胞的生长，其环境自然会变得更加酸性。如果环境变得太酸性-或太碱性-细胞将死亡。科学家们测量的pH值范围从0(非常酸性)到14(非常碱性)，对于大多数细胞而言，理想的环境是在pH值为7的狭窄范围内。

商用pH仪器具有很高的准确性，但不稳定，这意味着它们需要频繁地进行校准以确保日常的准确读数。如果不进行校准，这些传统的pH计每天就会损失多达0.1个pH单位的精度。但是组织工程学研究需要几周的时间。干细胞培养物可能需要生长近一个月才能变成骨骼。

艾哈迈德说：“ 0.1 pH的增加很明显。”“如果您的pH值改变1，则会杀死细胞。如果几天后我对我的pH测量结果一无所知，那么我将不再使用该测量方法。”

另一方面，如果研究人员每次必须测量细胞培养物的pH值时都会干扰正在生长的细胞，则科学家会在测量中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，这类研究需要的是一种测量系统，该系统可以留在培养箱中，细胞中的细胞处于培养基中，无需一次或数周地取出或校准。