Le capteur alimentaire de type velcro, fabriqué à partir d'un ensemble de micro-aiguilles en soie, peut percer les emballages en plastique pour échantillonner les aliments à la recherche de signes de détérioration et de contamination bactérienne. Crédit :Image :Felice Frankel
Une gamme de micro-aiguilles en soie à changement de couleur pourrait aider à endiguer les épidémies et à éviter le gaspillage alimentaire.
Les ingénieurs du MIT ont conçu un capteur alimentaire de type velcro, composé d'un ensemble de micro-aiguilles en soie, qui perce à travers les emballages en plastique pour échantillonner les aliments à la recherche de signes de détérioration et de contamination bactérienne.
Les micro-aiguilles du capteur sont moulées à partir d'une solution de protéines comestibles présentes dans les cocons de soie et sont conçues pour aspirer du liquide à l'arrière du capteur, qui est imprimé avec deux types d'encre spécialisée. L'une de ces « bio-encres » change de couleur lorsqu'elle est en contact avec un liquide d'une certaine plage de pH, indiquant que la nourriture s'est gâtée ; l'autre change de couleur lorsqu'il détecte des bactéries contaminantes telles que l'E pathogène. coli .
Les chercheurs ont fixé le capteur à un filet de poisson cru auquel ils avaient injecté une solution contaminée par E. coli. Après moins d'une journée, ils ont découvert que la partie du capteur qui était imprimée avec de l'encre biologique détectant les bactéries est passée du bleu au rouge - un signe clair que le poisson était contaminé. Après quelques heures de plus, la bio-encre sensible au pH a également changé de couleur, signalant que le poisson s'était également gâté.
Les résultats, publiés aujourd'hui (9 septembre 2020) dans la revue Advanced Functional Materials , sont une première étape vers le développement d'un nouveau capteur colorimétrique capable de détecter les signes d'altération et de contamination des aliments.
Les chercheurs ont fixé le capteur à un filet de poisson cru auquel ils avaient injecté une solution contaminée par E. coli. Après moins d'une journée, ils ont découvert que la partie du capteur qui était imprimée avec de l'encre biologique détectant les bactéries est passée du bleu au rouge - un signe clair que le poisson était contaminé. Après quelques heures de plus, la bio-encre sensible au pH a également changé de couleur, signalant que le poisson s'était également gâté.
Crédit :Image :Jose-Luis Olivares, MIT. Texture du capteur avec l'aimable autorisation des chercheurs
Ces capteurs alimentaires intelligents pourraient aider à prévenir les épidémies telles que la récente contamination par la salmonelle des oignons et des pêches. Ils pourraient également empêcher les consommateurs de jeter des aliments dont la date de péremption peut être dépassée, mais qui sont en fait encore consommables.
"Il y a beaucoup de nourriture qui est gaspillée en raison du manque d'étiquetage approprié, et nous jetons de la nourriture sans même savoir si elle est gâtée ou non", explique Benedetto Marelli, professeur adjoint de développement de carrière Paul M. Cook au département de MIT. Génie Civil et Environnemental. «Les gens gaspillent également beaucoup de nourriture après les épidémies, car ils ne savent pas si la nourriture est réellement contaminée ou non. Une technologie comme celle-ci donnerait confiance à l'utilisateur final pour qu'il ne gaspille pas de nourriture. »
Les co-auteurs de Marelli sur l'article sont Doyoon Kim, Yunteng Cao, Dhanushkodi Mariappan, Michael S. Bono Jr. et A. John Hart.
Soie et impression
Le nouveau capteur alimentaire est le fruit d'une collaboration entre Marelli, dont le laboratoire exploite les propriétés de la soie pour développer de nouvelles technologies, et Hart, dont le groupe développe de nouveaux procédés de fabrication.
Hart a récemment développé une technique de floxographie à haute résolution, réalisant des motifs microscopiques qui peuvent permettre l'électronique imprimée et les capteurs à faible coût. Pendant ce temps, Marelli avait développé un tampon à micro-aiguilles à base de soie qui pénètre et fournit des nutriments aux plantes. Au cours d'une conversation, les chercheurs se sont demandé si leurs technologies pourraient être couplées pour produire un capteur alimentaire imprimé qui surveille la sécurité alimentaire.
Cette illustration schématique montre le système de surveillance de la qualité des aliments proposé qui utilise des réseaux de micro-aiguilles en soie avec des bioencres imprimées comme capteurs colorimétriques. Crédit :image reproduite avec l'aimable autorisation des chercheurs
« Évaluer la santé d'un aliment en mesurant simplement sa surface n'est souvent pas suffisant. À un moment donné, Benedetto a mentionné le travail de son groupe sur les micro-aiguilles avec des plantes, et nous avons réalisé que nous pouvions combiner notre expertise pour créer un capteur plus efficace », se souvient Hart.
L'équipe a cherché à créer un capteur capable de percer la surface de nombreux types d'aliments. Le design qu'ils ont imaginé consistait en un ensemble de micro-aiguilles en soie.
"La soie est complètement comestible, non toxique et peut être utilisée comme ingrédient alimentaire, et elle est mécaniquement suffisamment robuste pour pénétrer à travers un large éventail de types de tissus, comme la viande, les pêches et la laitue", déclare Marelli.
Une détection plus profonde
Pour fabriquer le nouveau capteur, Kim a d'abord préparé une solution de fibroïne de soie, une protéine extraite de cocons de papillons de nuit, et a versé la solution dans un moule à micro-aiguilles en silicone. Après séchage, il a retiré le réseau de micro-aiguilles résultant, chacune mesurant environ 1,6 millimètre de long et 600 microns de large, soit environ un tiers du diamètre d'un brin de spaghetti.
L'équipe a ensuite développé des solutions pour deux types de bio-encres - des polymères imprimables à changement de couleur qui peuvent être mélangés avec d'autres ingrédients de détection. Dans ce cas, les chercheurs ont mélangé dans une bioencre un anticorps sensible à une molécule de E. coli . Lorsque l'anticorps entre en contact avec cette molécule, il change de forme et pousse physiquement sur le polymère environnant, ce qui à son tour modifie la façon dont la bioencre absorbe la lumière. De cette façon, la bioencre peut changer de couleur lorsqu'elle détecte des bactéries contaminantes.
Sur la gauche, vous pouvez voir un exemple du réseau de micro-aiguilles comprenant 100 aiguilles. Sur la droite se trouve une image SEM d'une seule aiguille. Crédit :image reproduite avec l'aimable autorisation des chercheurs
Les chercheurs ont fabriqué une bioencre contenant des anticorps sensibles à E. coli , et une seconde bio-encre sensible aux niveaux de pH associés à la détérioration. Ils ont imprimé la bio-encre sensible aux bactéries sur la surface du réseau de micro-aiguilles, selon le motif de la lettre « E », à côté de laquelle ils ont imprimé la bio-encre sensible au pH, en tant que « C ». Les deux lettres apparaissaient initialement en bleu.
Kim a ensuite intégré des pores dans chaque micro-aiguille pour augmenter la capacité du réseau à aspirer du liquide par capillarité. Pour tester le nouveau capteur, il a acheté plusieurs filets de poisson cru dans une épicerie locale et a injecté à chaque filet un liquide contenant soit E. coli , Salmonelle, ou le fluide sans aucun contaminant. Il a collé un capteur dans chaque filet. Puis, il a attendu.
Après environ 16 heures, l'équipe a observé que le "E" est passé du bleu au rouge, uniquement dans le filet contaminé par E. coli , indiquant que le capteur a détecté avec précision les antigènes bactériens. Après plusieurs heures de plus, le « C » et le « E » de tous les échantillons sont devenus rouges, indiquant que chaque filet était gâté.
Les chercheurs ont également découvert que leur nouveau capteur indique la contamination et la détérioration plus rapidement que les capteurs existants qui ne détectent que les agents pathogènes à la surface des aliments.
"Il existe de nombreuses cavités et trous dans les aliments où les agents pathogènes sont incrustés, et les capteurs de surface ne peuvent pas les détecter", explique Kim. «Nous devons donc nous brancher un peu plus loin pour améliorer la fiabilité de la détection. Grâce à cette technique de perçage, nous n'avons pas non plus besoin d'ouvrir un emballage pour inspecter la qualité des aliments. »
L'équipe cherche des moyens d'accélérer l'absorption de fluide par les micro-aiguilles, ainsi que la détection des contaminants par les bio-encres. Une fois la conception optimisée, ils envisagent que le capteur puisse être utilisé à différentes étapes de la chaîne d'approvisionnement, des opérateurs des usines de transformation, qui peuvent utiliser les capteurs pour surveiller les produits avant leur expédition, aux consommateurs qui peuvent choisir d'appliquer les capteurs sur certains aliments pour s'assurer qu'ils peuvent être consommés sans danger.
Référence :"A Microneedle Technology for Sampling and Sensing Bacteria in the Food Supply Chain" par Doyoon Kim, Yunteng Cao, Dhanushkodi Mariappan, Michael S. Bono Jr., A. John Hart et Benedetto Marelli, 9 septembre 2020, Avancé Matériaux fonctionnels .
DOI :10.1002/adfm.202005370
Cette recherche a été soutenue, en partie, par le MIT Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS), la U.S. National Science Foundation et l'U.S. Office of Naval Research.
