Les langues artificielles ont reçu une attention accrue en raison de leur capacité à détecter les cinq goûts de base, mais jusqu'à présent, les scientifiques n'ont pas été en mesure d'activer pleinement le biomimétisme semblable à la langue humaine pour l'astringence en laboratoire. Pour imiter les mécanismes de la perception humaine de l'astringence semblable à la langue, Jeonghee Yeom et une équipe de scientifiques en génie énergétique et en génie chimique de l'Institut national des sciences et technologies d'Ulsan en République de Corée, utilisé comme une salive, hydrogel ionique chimirésistif ancré à un substrat flexible pour créer une langue artificielle douce. Ils ont exposé la construction à des composés astringents et ont permis à des agrégats hydrophobes de se former dans le réseau microporeux, en le transformant en une structure micro/nanoporeuse avec une conductivité ionique améliorée. En utilisant la structure unique en forme de langue humaine, ils ont détecté de l'acide tannique (TA) sur un large spectre (0,005 à 1 pourcentage en poids) avec une sensibilité élevée et un temps de réponse rapide. Comme preuve de concept, le capteur a détecté le degré d'astringence des boissons et des fruits sur la base d'une simple méthode d'essuyage et de détection. La plate-forme aura de puissantes applications futures dans les robots humanoïdes et en tant que dispositifs de surveillance du goût, le travail de recherche est maintenant publié sur Avancées scientifiques .

La langue est un organe musculaire qui forme l'un des plus doux, les parties du corps les plus flexibles et les plus sensibles abritant une gamme de récepteurs mécaniques et de canaux ioniques. Une fine pellicule salivaire de quelques centaines de microns d'épaisseur maintient l'hydratation de la langue, et contient un mélange de 99 pour cent d'eau, un mélange d'électrolytes, immunoglobines et protéines sécrétoires. La salive joue un rôle important lors de la perception du goût en dissolvant les arômes et en leur permettant de se lier aux cellules réceptrices ou de circuler efficacement à travers les canaux ioniques. Les humains peuvent distinguer cinq goûts de base, qui comprennent sucré, aigre, amer, salé et umami. Les goûts hydrosolubles peuvent être détectés via des cellules réceptrices du goût ou des canaux ioniques, basé sur des signaux électriques générés en raison de la dépolarisation des cellules réceptrices après la liaison de produits chimiques gustatifs pour le sucré, sensations amères et umami. Pour les goûts salés et acides, le processus dépend du flux d'ions sodium ou hydrogène à travers les canaux ioniques.

Les humains peuvent ressentir de l'astringence par l'exposition aux polyphénols principalement présents dans les fruits non mûrs, vins et thés. Ils sont une substance antioxydante et anti-inflammatoire puissante, mais capable de provoquer des impacts nutritionnels négatifs ou de devenir mortelle à fortes doses. Les astringents peuvent être détectés en raison de la forte association d'arômes astringents ingérés et de protéines de salvia qui recouvrent la langue. A l'intérieur de la cavité buccale, les goûts astringents peuvent se lier aux protéines sécrétées et former des précipités insolubles pour rétrécir l'épithélium provoquant un dessèchement, sentiment plissé. Jusqu'ici, les bio-ingénieurs n'ont pas développé une langue artificielle entièrement flexible et douce sélective pour des goûts astringents spécifiques. Dans ce travail, Yeom et al. a imité les mécanismes de la perception de l'astringence humaine en introduisant une langue artificielle douce à base d'hydrogel. Ils ont été bioinspirés par la fine couche salivaire de la langue humaine pour créer un film d'hydrogel tout aussi doux et mince sur un substrat polymère flexible via une liaison covalente.

La langue artificielle contenait de la mucine comme protéine sécrétée, chlorure de lithium (LiCl), polyacrylamide (PAAm) et un réseau polymère poreux tridimensionnel (3-D) pour permettre l'écoulement facile des électrolytes. L'épaisseur d'hydrogel mou de 200 microns était comparable à une couche salivaire réelle sur une langue humaine et facilitait l'adsorption et la diffusion efficaces des astringents. Par exemple, Yeom et al. utilisé de l'acide tannique (AT) pendant les expériences. Lorsque TA a diffusé dans la matrice d'hydrogel, molécules de TA entrantes liées et complexées avec de la mucine pour former des agrégats hydrophobes. Le processus a transformé le gel microporeux en une structure hiérarchique micro ou nanoporeuse avec une conductivité ionique améliorée. La construction a pu détecter avec succès le degré d'astringence dans de vraies boissons et également surveiller efficacement la maturation des fruits.

Yeom et al. ont examiné les mécanismes de liaison de la mucine et du tanin et étudié leur composition chimique à l'aide des spectroscopies infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et Raman. Les pics vibratoires de la mucine correspondaient aux bandes protéiques de l'amide I et de l'amide II et le tanin lié provoquait un changement dans la conformation de fond. Pour concevoir un capteur chimiorésistif flexible utilisant un hydrogel semblable à de la salive et un substrat d'électrode flexible, les scientifiques ont utilisé du poly(naphtalate d'éthylène) (PEN), suivi d'un traitement au plasma d'oxygène pour former une surface PEN hydrophile (qui aime l'eau) pour une fixation efficace de la surface au réseau d'hydrogel PAAm semblable à la salive. Ils ont ensuite utilisé un agent d'ancrage chimique sous polymérisation ultraviolette (UV) pour une liaison covalente entre les substrats.

Au cours de son mécanisme d'action, les ions LiCl mobiles dans le réseau microporeux 3-D ont fait en sorte que le film salivaire artificiel présente une conductivité électrique modérée, cependant, les électrolytes adhéraient aux micropores hydrophiles pour un mauvais transport des ions. Lorsque Yeom et al. introduit TA à la langue artificielle, la mucine et le TA se sont complexés pour former des agrégats hydrophobes qui ont amélioré le transport des ions dans toute la structure hiérarchique des pores. Cette transition a facilité la perception de l'astringence via une conductivité ionique accrue. L'équipe a quantifié les performances sensorielles en surveillant les changements relatifs du courant sous diverses concentrations de TA. Le capteur avait une large plage de détection et une sensibilité élevée avec de nombreux avantages potentiels dans la pratique. Pour tester l'astringence des vraies boissons, les scientifiques ont utilisé trois types de vins différents, y compris le rouge, rosé et blanc, ainsi que du thé noir avec des temps d'infusion différents. Comme pour TA auparavant, ils ont suivi les changements spécifiques actuels pour évaluer l'astringence standard, où le vin rouge avait le plus haut degré d'astringence en raison de sa concentration en tanins.

Les scientifiques ont ensuite examiné la stabilité des capteurs pour des applications réelles. Pour éviter la déshydratation des hydrogels ressemblant à de la salive qui sont principalement composés d'eau, ils ont adopté LiCl sur la langue artificielle comme agent conducteur et hydratant. La langue artificielle a montré des performances de détection stables sur une large plage de températures de détection en raison de sa mucine constitutive. Alors qu'une langue humaine peut détecter des traces d'un composé en le léchant, les langues artificielles ont une capacité limitée à détecter des traces d'analytes. En revanche, le nouveau capteur d'astringence développé ici a analysé directement les analytes liquides via un schéma d'essuyage et de détection dans un processus d'essuyage flexible intégré au dispositif de capteur. L'équipe a ensuite testé le kaki non mûr en utilisant la configuration, un fruit qui contenait naturellement une grande quantité de tanin pour évoquer l'astringence. Quand ils ont attaché la langue artificielle au noyau du kaki, ils ont détecté une astringence relativement élevée. Une fois le fruit mûri, il affichait une astringence relativement faible. Le nouveau dispositif a détecté divers degrés d'astringence et peut donc être utilisé comme un dispositif portable de cartographie du goût basé sur les changements électriques dans des régions spécifiques.

De cette façon, Jeonghee Yeom et ses collègues ont développé une langue artificielle entièrement inspirée du mécanisme de détection humain. Ils ont préparé la construction expérimentale en utilisant la polymérisation UV sur un substrat flexible pour observer des capacités de détection extraordinaires. L'appareil ressemblant à une langue humaine avait une large plage de détection et une faible limite de concentrations détectables, ainsi qu'une sélectivité élevée par rapport à d'autres goûts spécifiques. L'équipe a exposé l'appareil à des composés astringents et a enregistré son mécanisme d'action. Ils ont l'intention d'optimiser davantage les protéines constituant la construction artificielle pour améliorer sa capacité de détection universelle. Les excellents résultats obtenus pour le capteur de langue artificielle le rendent attractif pour la quantification ou l'évaluation du goût, étudier les troubles du goût, et pour l'intégration dans les robots humanoïdes.

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