Les ingénieurs du MIT ont conçu un capteur alimentaire de type Velcro, fabriqué à partir d'une gamme de microaiguilles de soie, qui perce les emballages en plastique pour prélever des échantillons d'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 trouvées dans des cocons de soie, et sont conçus pour aspirer du fluide à l'arrière du capteur, qui est imprimé avec deux types d'encre spécialisée. L'une de ces "bioinks" change de couleur au contact d'un fluide d'une certaine plage de pH, indiquant que la nourriture s'est avariée ; l'autre prend une couleur lorsqu'il détecte des bactéries contaminantes telles que E. coli pathogène.

Les chercheurs ont attaché 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 imprimée avec de l'encre biologique à détection de bactéries passait du bleu au rouge, un signe clair que le poisson était contaminé. Après quelques heures de plus, la bioencre sensible au pH a également changé de couleur, signalant que le poisson s'était également gâté.

Les résultats, publié aujourd'hui dans la revue Matériaux fonctionnels avancés , sont une première étape vers le développement d'un nouveau capteur colorimétrique capable de détecter les signes de détérioration et de contamination des aliments.

De tels capteurs alimentaires intelligents pourraient aider à prévenir des 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 imprimée pourrait être dépassée, mais est en fait encore consommable.

"Il y a beaucoup de nourriture qui est gaspillée à cause du manque d'étiquetage approprié, et on jette de la nourriture sans même savoir si elle est avariée ou pas, " dit Benedetto Marelli, le professeur adjoint de développement de carrière Paul M. Cook au département de génie civil et environnemental du MIT. "Les gens gaspillent aussi beaucoup de nourriture après les épidémies, parce qu'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 le papier 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, réaliser des motifs microscopiques qui peuvent permettre l'électronique imprimée et les capteurs à faible coût. Pendant ce temps, Marelli avait développé un tampon micro-aiguille à base de soie qui pénètre et fournit des nutriments aux plantes. En conversation, les chercheurs se sont demandé si leurs technologies pouvaient être associées pour produire un capteur alimentaire imprimé qui surveille la sécurité alimentaire.

« Évaluer la santé des aliments en mesurant simplement leur surface n'est souvent pas suffisant. À un moment donné, Benedetto a mentionné le travail de micro-aiguille de son groupe avec les plantes, et nous avons réalisé que nous pouvions combiner notre expertise pour faire 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 proposé consistait en un ensemble de micro-aiguilles en soie.

"La soie est entièrement comestible, non toxique, et peut être utilisé comme ingrédient alimentaire, et il est suffisamment robuste mécaniquement pour pénétrer à travers un large éventail de types de tissus, comme la viande, les pêches, et laitue, " dit 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 mite, et versé la solution dans un moule à micro-aiguille en silicone. Après séchage, il a décollé le réseau de micro-aiguilles qui en a résulté, chacun mesurant environ 1,6 millimètres 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 bioencres, 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 un bioink un anticorps qui est sensible à une molécule dans E. coli. Lorsque l'anticorps entre en contact avec cette molécule, il change de forme et pousse physiquement sur le polymère environnant, qui à son tour change la façon dont la bioencre absorbe la lumière. De cette façon, la bioencre peut changer de couleur lorsqu'elle détecte des bactéries contaminantes.

Les chercheurs ont fabriqué une bioencre contenant des anticorps sensibles à E. coli, et une seconde bioencre sensible aux niveaux de pH associés à la détérioration. Ils ont imprimé la bioencre à détection de bactéries sur la surface du réseau de micro-aiguilles, dans le modèle de la lettre "E, " à côté de laquelle ils ont imprimé l'encre bio sensible au pH, comme un "C." Les deux lettres apparaissaient initialement de couleur bleue.

Kim a ensuite incrusté des pores dans chaque micro-aiguille pour augmenter la capacité de la matrice à aspirer du fluide par action capillaire. 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 planté 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 » dans tous les échantillons sont devenus rouges, indiquant que chaque filet s'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 y a beaucoup de cavités et de trous dans les aliments où les agents pathogènes sont incrustés, et les capteurs de surface ne peuvent pas les détecter, " dit Kim. "Nous devons donc nous brancher un peu plus profondément pour améliorer la fiabilité de la détection. En utilisant 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 bioencres. Une fois la conception optimisée, ils envisagent que le capteur pourrait être utilisé à différentes étapes de la chaîne d'approvisionnement, des opérateurs des usines de transformation, qui peut 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.