Le lingue artificiali hanno ricevuto maggiore attenzione grazie alla loro capacità di rilevare i cinque gusti fondamentali, ma fino ad ora gli scienziati non sono stati in grado di abilitare completamente la biomimetica simile alla lingua umana per l'astringenza in laboratorio. Per imitare i meccanismi della percezione umana dell'astringenza, simile alla lingua, Jeonghee Yeom e un team di scienziati in ingegneria energetica e ingegneria chimica presso l'Ulsan National Institute of Science and Technology nella Repubblica di Corea, usato un simile alla saliva, idrogel ionico chemiresistivo ancorato ad un substrato flessibile per creare una morbida lingua artificiale. Hanno esposto il costrutto a composti astringenti e hanno permesso la formazione di aggregati idrofobici nella rete microporosa, trasformandolo in una struttura micro/nanoporosa con conducibilità ionica migliorata. Usando la struttura unica simile a una lingua umana, hanno rilevato l'acido tannico (TA) in un ampio spettro (da 0,0005 a 1 percentuale in peso) con un'elevata sensibilità e un tempo di risposta rapido. Come prova di concetto, il sensore ha rilevato il grado di astringenza nelle bevande e nella frutta in base a un semplice metodo wipe-and-detect. La piattaforma avrà potenti applicazioni future nei robot umanoidi e come dispositivi di monitoraggio del gusto, il lavoro di ricerca è ora pubblicato su Progressi scientifici .

La lingua è un organo muscolare che forma uno dei più morbidi, parti del corpo più flessibili e sensibili che ospitano una serie di recettori meccanici e canali ionici. Un sottile film salivare di poche centinaia di micron di spessore mantiene l'umidità della lingua, e contiene una miscela di 99% di acqua, una miscela di elettroliti, immunoglobine e proteine ​​secretorie. La saliva svolge un ruolo significativo durante la percezione del gusto dissolvendo i tastants e consentendo loro di legarsi alle cellule recettoriali o di fluire in modo efficiente attraverso i canali ionici. Gli esseri umani possono distinguere cinque gusti fondamentali, che includono dolce, acido, amaro, salato e umami. I sapori solubili in acqua possono essere rilevati tramite cellule recettoriali del gusto o canali ionici, basato su segnali elettrici generati a causa della depolarizzazione delle cellule recettoriali dopo aver legato le sostanze chimiche del gusto per il dolce, sensazioni amare e umami. Per i gusti salati e aspri il processo dipende dal flusso di ioni sodio o idrogeno attraverso i canali ionici.

Gli esseri umani possono percepire l'astringenza attraverso l'esposizione ai polifenoli che si trovano principalmente nei frutti acerbi, vini e tè. Sono una forte sostanza antiossidante e antinfiammatoria, ma in grado di provocare impatti nutrizionali negativi o di diventare letali ad alte dosi. Gli astringenti possono essere rilevati a causa della forte associazione di sapori astringenti ingeriti e proteine ​​di salvia che ricoprono la lingua. All'interno della cavità orale, i sapori astringenti possono legarsi con le proteine ​​secrete e formare precipitati insolubili per ridurre l'epitelio causando un secco, sensazione increspata. Finora, i bioingegneri non hanno sviluppato una lingua artificiale completamente flessibile e morbida selettiva per specifici sapori astringenti. In questo lavoro, Yeom et al. ha imitato i meccanismi della percezione dell'astringenza umana introducendo una morbida lingua artificiale a base di idrogel. Sono stati ispirati dal sottile strato salivare sulla lingua umana per creare un film di idrogel ugualmente morbido e sottile su un substrato polimerico flessibile tramite legame covalente.

La lingua artificiale conteneva mucina come proteina secreta, cloruro di litio (LiCl), poliacrilammide (PAAm) e una rete di polimeri porosi tridimensionale (3-D) per consentire il facile flusso di elettroliti. Lo spessore dell'idrogel morbido di 200 micron era paragonabile a un vero strato salivare su una lingua umana e ha facilitato l'assorbimento e la diffusione efficienti degli astringenti. Come esempio, Yeom et al. utilizzato acido tannico (TA) durante gli esperimenti. Quando l'AT si è diffuso nella matrice idrogel, le molecole di TA in entrata si legano e si complessano con la mucina per formare aggregati idrofobici. Il processo ha trasformato il gel microporoso in una struttura gerarchica micro o nanoporosa con una conduttività ionica migliorata. Il costrutto è stato in grado di rilevare con successo il grado di astringenza nelle bevande reali e ha anche monitorato in modo efficiente la maturazione dei frutti.

Yeom et al. ha esaminato i meccanismi di legame di mucina e tannino e ha studiato la loro composizione chimica utilizzando spettroscopie infrarosse a trasformata di Fourier (FTIR) e Raman. I picchi vibrazionali della mucina corrispondevano alle bande proteiche dell'ammide I e dell'ammide II e il tannino legato provocava un cambiamento nella conformazione di fondo. Per progettare un sensore chemiresistivo flessibile utilizzando un idrogel simile alla saliva e un substrato di elettrodi flessibili, gli scienziati hanno utilizzato il poli(etilene naftalato) (PEN), seguito da un trattamento al plasma di ossigeno per formare una superficie PEN idrofila (amante dell'acqua) per un efficiente attacco superficiale alla rete di idrogel PAAm simile alla saliva. Hanno quindi utilizzato un agente di ancoraggio chimico sotto polimerizzazione ultravioletta (UV) per il legame covalente tra i substrati.

Durante il suo meccanismo d'azione, gli ioni LiCl mobili nella rete microporosa 3-D hanno fatto sì che il film salivare artificiale mostrasse una moderata conduttività elettrica, però, gli elettroliti aderivano ai micropori idrofili per uno scarso trasporto ionico. Quando Yeom et al. ha introdotto l'AT nella lingua artificiale, mucina e TA si sono complessati per formare aggregati idrofobici che hanno potenziato il trasporto di ioni attraverso la struttura gerarchica dei pori. Questa transizione ha facilitato la percezione dell'astringenza attraverso una maggiore conduttività ionica. Il team ha quantificato le prestazioni sensoriali monitorando i relativi cambiamenti di corrente sotto varie concentrazioni di TA. Il sensore aveva un ampio campo di rilevamento e un'elevata sensibilità con molti potenziali vantaggi nella pratica. Per testare l'astringenza delle bevande reali, gli scienziati hanno utilizzato tre diversi tipi di vino, compreso il rosso, rosato e bianco, così come il tè nero con diversi tempi di infusione. Come con l'AT prima, hanno monitorato le specifiche modifiche in corso per valutare l'astringenza standard, dove il vino rosso aveva il più alto grado di astringenza grazie alla sua concentrazione di tannini.

Gli scienziati hanno quindi considerato la stabilità dei sensori per le applicazioni del mondo reale. Per prevenire la disidratazione degli idrogel simili alla saliva che sono composti principalmente da acqua, hanno adottato LiCl sulla lingua artificiale come agente conduttivo e idratante. La lingua artificiale ha mostrato prestazioni di rilevamento stabili in un ampio intervallo di temperature di rilevamento grazie alla sua mucina costituente. Mentre una lingua umana può rilevare tracce di un composto leccandolo, le lingue artificiali hanno una capacità limitata di rilevare gli analiti in tracce. In contrasto, il nuovo sensore di astringenza sviluppato qui ha analizzato direttamente gli analiti liquidi tramite uno schema di pulitura e rilevamento in un processo di pulitura flessibile integrato nel dispositivo del sensore. Il team ha quindi testato i cachi acerbi utilizzando il setup, un frutto che conteneva naturalmente una grande quantità di tannino per evocare l'astringenza. Quando attaccarono la lingua artificiale al nucleo del cachi, hanno rilevato un'astringenza relativamente alta. Alla maturazione del frutto, mostrava un'astringenza relativamente bassa. Il nuovo dispositivo ha rilevato vari gradi di astringenza e può quindi essere utilizzato come dispositivo portatile per la mappatura del gusto in base ai cambiamenti elettrici all'interno di regioni specifiche.

In questo modo, Jeonghee Yeom e colleghi hanno sviluppato una lingua artificiale completamente ispirata al meccanismo di rilevamento umano. Hanno preparato il costrutto sperimentale utilizzando la polimerizzazione UV su un substrato flessibile per osservare straordinarie capacità di rilevamento. Il dispositivo simile a una lingua umana aveva un ampio raggio di rilevamento e un limite basso di concentrazioni rilevabili, così come un'elevata selettività da altri gusti specifici. Il team ha esposto il dispositivo a composti astringenti e ne ha registrato il meccanismo d'azione. Intendono ottimizzare ulteriormente le proteine ​​che costituiscono il costrutto artificiale per migliorare la sua capacità di rilevamento universale. Gli eccezionali risultati ottenuti per il sensore della lingua artificiale lo rendono attraente per la quantificazione o valutazione del gusto, studiare i disturbi del gusto, e per l'integrazione all'interno di robot umanoidi.

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