Gli ingegneri del MIT hanno progettato un sensore alimentare simile al velcro, realizzato con una serie di microaghi di seta, che perfora gli imballaggi di plastica per campionare il cibo alla ricerca di segni di deterioramento e contaminazione batterica.

I microaghi del sensore sono modellati da una soluzione di proteine ​​commestibili presenti nei bozzoli di seta, e sono progettati per aspirare il fluido nella parte posteriore del sensore, che viene stampato con due tipi di inchiostro specializzato. Uno di questi "bioink" cambia colore quando viene a contatto con un fluido di un certo intervallo di pH, indicando che il cibo è andato a male; l'altro cambia colore quando rileva batteri contaminanti come l'E. coli patogeno.

I ricercatori hanno attaccato il sensore a un filetto di pesce crudo che avevano iniettato con una soluzione contaminata da E. coli. Dopo meno di un giorno, hanno scoperto che la parte del sensore stampata con bioinchiostro sensibile ai batteri passava dal blu al rosso, un chiaro segno che il pesce era contaminato. Dopo qualche ora in più, anche il bioinchiostro sensibile al pH ha cambiato colore, segnalando che anche il pesce si era guastato.

I risultati, pubblicato oggi sulla rivista Materiali funzionali avanzati , sono un primo passo verso lo sviluppo di un nuovo sensore colorimetrico in grado di rilevare segni di deterioramento e contaminazione degli alimenti.

Tali sensori alimentari intelligenti potrebbero aiutare a prevenire epidemie come la recente contaminazione da salmonella in cipolle e pesche. Potrebbero anche impedire ai consumatori di buttare via alimenti che potrebbero aver superato una data di scadenza stampata, ma in realtà è ancora consumabile.

"C'è molto cibo che viene sprecato a causa della mancanza di un'etichettatura adeguata, e buttiamo via il cibo senza nemmeno sapere se è avariato o no, "dice Benedetto Marelli, il Paul M. Cook Career Development Assistant Professor presso il Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale del MIT. "Le persone sprecano anche molto cibo dopo le epidemie, perché non sono sicuri che il cibo sia effettivamente contaminato o meno. Una tecnologia come questa darebbe la sicurezza all'utente finale di non sprecare cibo".

I coautori di Marelli sull'articolo sono Doyoon Kim, Yunteng Cao, Dhanushkodi Mariappan, Michael S. Bono Jr., e A. John Hart.

Seta e stampa

Il nuovo sensore alimentare è il prodotto di una collaborazione tra Marelli, il cui laboratorio sfrutta le proprietà della seta per sviluppare nuove tecnologie, e Hart, il cui gruppo sviluppa nuovi processi produttivi.

Hart ha recentemente sviluppato una tecnica di floxografia ad alta risoluzione, realizzando modelli microscopici che possono abilitare elettronica e sensori stampati a basso costo. Nel frattempo, Marelli aveva sviluppato un timbro a microaghi a base di seta che penetra e fornisce sostanze nutritive alle piante. In conversazione, i ricercatori si sono chiesti se le loro tecnologie potessero essere abbinate per produrre un sensore alimentare stampato che monitora la sicurezza alimentare.

"Valutare la salute del cibo misurandone solo la superficie spesso non è sufficiente. Ad un certo punto, Benedetto ha menzionato il lavoro con i microaghi del suo gruppo con le piante, e ci siamo resi conto che potevamo unire le nostre competenze per realizzare un sensore più efficace, "Ricorda Hart.

Il team ha cercato di creare un sensore in grado di perforare la superficie di molti tipi di cibo. Il design che hanno inventato consisteva in una serie di microaghi realizzati in seta.

"La seta è completamente commestibile, non tossico, e può essere utilizzato come ingrediente alimentare, ed è meccanicamente abbastanza robusto da penetrare attraverso un ampio spettro di tipi di tessuto, come la carne, Pesche, e lattuga, "dice Marelli.

Una rilevazione più profonda

Per realizzare il nuovo sensore, Kim fece prima una soluzione di fibroina di seta, una proteina estratta dai bozzoli di falena, e versò la soluzione in uno stampo a microaghi in silicone. Dopo l'essiccazione, staccò la serie risultante di microaghi, ciascuno misura circa 1,6 millimetri di lunghezza e 600 micron di larghezza, circa un terzo del diametro di un filo di spaghetti.

Il team ha quindi sviluppato soluzioni per due tipi di bioinchiostro:polimeri stampabili che cambiano colore che possono essere miscelati con altri ingredienti di rilevamento. In questo caso, i ricercatori hanno mescolato in un bioinchiostro un anticorpo sensibile a una molecola di E. coli. Quando l'anticorpo entra in contatto con quella molecola, cambia forma e spinge fisicamente sul polimero circostante, che a sua volta cambia il modo in cui il bioinchiostro assorbe la luce. In questo modo, il bioinchiostro può cambiare colore quando rileva batteri contaminanti.

I ricercatori hanno realizzato un bioinchiostro contenente anticorpi sensibili a E. coli, e un secondo bioink sensibile ai livelli di pH associati al deterioramento. Hanno stampato il bioinchiostro sensibile ai batteri sulla superficie della matrice di microaghi, nello schema della lettera "E, " accanto al quale hanno stampato il bioinchiostro sensibile al pH, come "C." Entrambe le lettere inizialmente apparivano di colore blu.

Kim ha quindi incorporato i pori all'interno di ciascun microago per aumentare la capacità dell'array di aspirare il fluido tramite azione capillare. Per testare il nuovo sensore, ha acquistato diversi filetti di pesce crudo da un negozio di alimentari locale e ha iniettato in ogni filetto un fluido contenente E. coli, Salmonella, o il fluido senza contaminanti. Ha infilato un sensore in ogni filetto. Quindi, lui ha aspettato.

Dopo circa 16 ore, la squadra ha osservato che la "E" è passata dal blu al rosso, solo nel filetto contaminato da E. coli, indicando che il sensore ha rilevato con precisione gli antigeni batterici. Dopo molte altre ore, sia la "C" che la "E" in tutti i campioni sono diventate rosse, indicando che ogni filetto era rovinato.

I ricercatori hanno anche scoperto che il loro nuovo sensore indica contaminazione e deterioramento più velocemente dei sensori esistenti che rilevano solo gli agenti patogeni sulla superficie degli alimenti.

"Ci sono molte cavità e buchi nel cibo in cui sono incorporati gli agenti patogeni, e i sensori di superficie non possono rilevarli, " Dice Kim. "Quindi dobbiamo collegarci un po' più a fondo per migliorare l'affidabilità del rilevamento. Usando questa tecnica di perforazione, inoltre non dobbiamo aprire un pacco per controllare la qualità del cibo".

Il team è alla ricerca di modi per accelerare l'assorbimento dei fluidi da parte dei microaghi, così come il rilevamento dei contaminanti da parte dei bioink. Una volta ottimizzato il design, prevedono che il sensore possa essere utilizzato in varie fasi lungo la catena di approvvigionamento, dagli operatori negli impianti di trasformazione, chi può utilizzare i sensori per monitorare i prodotti prima che vengano spediti, ai consumatori che possono scegliere di applicare i sensori su determinati alimenti per assicurarsi che siano sicuri da mangiare.