2024-11-19 09:07:07

电气工程师，有机化学家，材料科学家和细胞生物学家都有什么共同点?他们发明并改善了生物学和电子学界的应用。

来自多个学科的研究人员正在KAUST合作开发可检测疾病，治疗癌症和追踪海洋动物的生物电子学。他们甚至可能发现下一代计算系统。

消灭癌症的磁铁

JürgenKosel是一位电气工程师，喜欢玩磁铁。他的研究小组开发了一种技术，可以制造可杀死癌细胞的独特磁性氧化铁纳米线。

某些类型的铁基磁性纳米颗粒是美国食品和药物管理局于多年前批准的，可在人体内部使用。它们经常在磁共振成像中用作造影剂，并作为铁缺乏症患者的营养补充剂。”科瑟尔说。

当前使用的磁性纳米颗粒是球形的。Kosel和他的团队开发了可以像指南针一样旋转的线状磁性纳米粒子，在癌细胞膜上形成了一个小孔，从而导致自然细胞死亡。当涂有抗癌药或用激光加热时，可以使这些杀死癌症的纳米线更加有效。它们被癌细胞“吞噬”，一旦释放到体内，就会造成严重破坏。

Kosel与细胞生物学家 Jasmeen Merzaban以及最近与有机化学家Niveen Khashab 紧密合作，以“功能化”他的磁性纳米线表面，以确保人体的免疫系统不会将其视为异物。他们还致力于防止导线粘在一起，并更具体地针对癌细胞，方法是在它们的细胞膜上涂上识别特定抗原的抗体。

高密度基于忆阻器的交叉开关被广泛认为是未来内存和受生物启发的计算系统的基本要素。信用：2019年KAUST

Kosel还与电气工程师Muhammad Hussain一起使用磁铁来提高心脏导管的安全性。他们开发了一种灵活的磁传感器，其灵敏度足以检测地球的磁场。例如，将这些传感器放置在心脏导管的尖端时，临床医生可以检测到其在血管内的方向。这使他们能够将其定向到需要插入支架的位置，例如，以减轻心脏动脉的阻塞。这减少了在冠状动脉血管成形术等手术过程中对X射线和对比染料的延长剂量的需要。

疾病检测

KAUST电气工程师Khaled Salama说：“在过去的50年中，5,000亿美元的半导体产业主要集中在两种应用：计算和通信。” “但是，随着人们的寿命更长，需要更多的护理，这项技术在包括医学研究在内的其他领域也具有很大的前景。我们需要进行模式转变，以利用我们为该领域开发的某些技术。”

Salama开发了一种传感器，可以检测“ C反应蛋白”，这是心血管疾病的生物标记。他通过使用纳米材料和金纳米颗粒对电极进行功能化来提高其灵敏度来实现这一目的。电极发出的信号与血样中C反应蛋白的量成比例。他的小组开发了一种独特的过程，即3-D打印微流体通道，该通道将样品输送到传感器以进行生物检测。

在KAUST的其他地方，Sahika Inal正在开发一种设备，可以使糖尿病患者的生活更轻松。

Inal来自纺织制造业，但是她对具有生物相容性的聚合物电学性质的研究使她走上了生物电子学的道路。

她的团队开发了可打印的，一次性的，基于聚合物的传感器，可以测量唾液中的葡萄糖水平。她解释说：“我们喷墨印刷导电聚合物。生物墨水包含用于葡萄糖感测的酶，保护酶的封装层，仅允许葡萄糖渗透的层和保护电子器件的绝缘层。” “然后几分钟之内便有了一个基于纸张的传感器!”

功能化的纳米线显示为附着(左)并进入目标细胞(中心)，而非​​目标细胞则被忽略(右)。信用：2019年KAUST

Inal还开发了其他生化传感器，可以从体内已经存在的化合物产生自身能量，为心脏起搏器等可植入设备提供动力。

Inal说：“要开展有影响力的生物电子学工作，我需要处于一个生物学家的环境中，这些生物学家可以向我提供有关我的研究成果的反馈。”

受生物启发的计算机和动物追踪

生物电子学不仅包含旨在解决生物学问题的电子设备，而且还是受生物学启发的电子解决方案。

Khaled Salama对一种称为“忆阻器”的新型生物启发设备感兴趣。这些是受到神经网络和大脑突触启发的电气组件。研究人员希望他们将引领下一代计算系统的发展，并希望他们能够更好地适应快速处理大量数据的需求。Salama开发了一种方法，可以提高这些设备的计算效率，同时减少这些通常耗能的设备的功耗。

Kosel说，在恶劣的海洋环境中传感数据可能特别具有挑战性。研究人员经常求助于放置在大型海洋动物身上的电子标签来追踪其运动。他们还使用电子传感器在海中进行流量，盐度，压力和温度测量。需要更小，更轻，更省电的标签来抵御腐蚀，并承受生物结垢。细菌结垢几乎在任何停留在海中太久的东西上都形成。

Kosel的解决方案是开发采用单步激光打印技术制造的石墨烯传感器，以用于海洋应用。这些激光诱导的石墨烯传感器具有抗腐蚀能力，可以在高温下生存。它们非常轻巧且具有柔韧性，使其适合附着在较小的海洋动物上。他们还开发了一种技术，该技术涉及进行高频测量，以使其能够承受累积的生物污染层的影响。

该小组已开始召开会议，该会议每年在KAUST举行。去年，在众多受人尊敬的与会者中，剑桥大学菲利普亲王理工学院教授乔治·马利亚拉斯(George Malliaras)。Malliaras赞扬该大学的世界一流的仪器设备，在校园内获得出色的合作机会以及与国外人士合作的机制。他说：“综合考虑这些属性，KAUST在解决当今人类面临的一些最重要问题方面非常成功。”