Инженеры Массачусетского технологического института разработали метод трехмерной печати, в котором используются чернила нового типа, изготовленные из генетически запрограммированных живых клеток.
Клетки спроектированы таким образом, чтобы светиться в ответ на различные раздражители. При смешивании с гидрогелем и питательными веществами клетки можно печатать слой за слоем, формируя трехмерные интерактивные структуры и устройства.
Команда продемонстрировала свою технику, напечатав «живую татуировку» - тонкую прозрачную полоску с изображением клеток живых бактерий в форме дерева. Каждая ветвь дерева выстлана клетками, чувствительными к различным химическим или молекулярным соединениям. Когда пластырь прикрепляют к коже, подвергшейся воздействию тех же соединений, соответствующие участки дерева загораются в ответ.
Исследователи во главе с Сюаньхэ Чжао, профессором развития карьеры Нойса на факультете машиностроения Массачусетского технологического института, и Тимоти Лу, адъюнкт-профессором биологической инженерии, электротехники и компьютерных наук, говорят, что их метод может быть использован для производить «активные» материалы для носимых датчиков и интерактивных дисплеев. Такие материалы могут быть созданы с помощью живых клеток, способных воспринимать химические вещества и загрязнители окружающей среды, а также изменения pH и температуры.
Более того, команда разработала модель для предсказания взаимодействия между клетками внутри заданной структуры, напечатанной на 3D-принтере, при различных условиях. Команда говорит, что исследователи могут использовать эту модель в качестве руководства при разработке гибких живых материалов.
Чжао, Лу и их коллеги опубликовали сегодня свои результаты в журнале Advanced Materials. Соавторами статьи являются аспиранты Синьюэ Лю, Хюнву Юк, Шаотин Лин, Герман Альберто Парада, Цзы-Чие Тан, Элеонора Там и постдоктор Сезар де ла Фуэнте-Нуньес..
Выносливая альтернатива
В последние годы ученые исследовали различные чувствительные материалы в качестве основы для чернил для 3D-печати. Например, ученые использовали чернила, изготовленные из чувствительных к температуре полимеров, для печати термочувствительных объектов, меняющих форму. Другие печатают фотоактивируемые структуры из полимеров, которые сжимаются и растягиваются под действием света.
Команда Чжао, работая с биоинженерами в лаборатории Лу, поняла, что живые клетки могут также служить чувствительным материалом для 3D-печатных чернил, особенно потому, что они могут быть генетически модифицированы для реагирования на различные раздражители. Исследователи не первые, кто рассматривает возможность 3D-печати генетически модифицированных клеток; другие пытались сделать это, используя живые клетки млекопитающих, но без особого успеха.
«Оказывается, эти клетки умирали во время процесса печати, потому что клетки млекопитающих в основном представляют собой липидные двухслойные воздушные шары», - говорит Юк. «Они слишком слабые и легко рвутся».
Вместо этого команда идентифицировала более стойкий тип клеток у бактерий. Бактериальные клетки имеют прочные клеточные стенки, способные выдерживать относительно суровые условия, например силы, приложенные к чернилам, когда они проталкиваются через сопло принтера. Кроме того, бактерии, в отличие от клеток млекопитающих, совместимы с большинством гидрогелей - гелеобразных материалов, состоящих в основном из воды и небольшого количества полимера. Группа обнаружила, что гидрогели могут создавать водную среду, в которой могут поддерживаться живые бактерии.
Исследователи провели скрининговый тест, чтобы определить тип гидрогеля, который лучше всего подходит для размещения бактериальных клеток. После обширных поисков наиболее совместимым материалом оказался гидрогель с плюроновой кислотой. Гидрогель также показал идеальную консистенцию для 3D-печати.
«Этот гидрогель имеет идеальные характеристики текучести для печати через сопло», - говорит Чжао. «Это похоже на выдавливание зубной пасты. Вам нужно, чтобы [чернила] вытекали из сопла, как зубная паста, и сохраняли свою форму после печати».
От татуировок до живых компьютеров
Лу предоставил команде бактериальные клетки, способные светиться в ответ на различные химические раздражители. Затем исследователи придумали рецепт своих 3D-чернил, используя комбинацию бактерий, гидрогеля и питательных веществ для поддержания клеток и поддержания их функциональности.
«Мы обнаружили, что эта новая формула чернил работает очень хорошо и может печатать с высоким разрешением около 30 микрометров на элемент», - говорит Чжао. «Это означает, что каждая строка, которую мы печатаем, содержит всего несколько ячеек. Мы также можем печатать относительно крупномасштабные структуры размером в несколько сантиметров».
Они напечатали чернила, используя специальный 3D-принтер, который они построили, используя стандартные элементы в сочетании с приспособлениями, которые они изготовили сами. Чтобы продемонстрировать технику, команда напечатала рисунок из гидрогеля с ячейками в форме дерева на слое эластомера. После печати они затвердевали или отверждали пластырь, подвергая его воздействию ультрафиолетового излучения. Затем они приклеивают прозрачный эластомерный слой с живыми узорами на кожу.
Чтобы протестировать пластырь, исследователи нанесли несколько химических соединений на тыльную сторону руки испытуемого, а затем прижали гидрогелевый пластырь к открытой коже. В течение нескольких часов ветви дерева участка загорались, когда бактерии ощущали соответствующие им химические раздражители.
Исследователи также создали бактерии, способные общаться друг с другом; например, они запрограммировали некоторые клетки загораться только тогда, когда они получают определенный сигнал от другой клетки. Чтобы протестировать этот тип связи в трехмерной структуре, они напечатали тонкий лист гидрогелевых нитей с «входными» или продуцирующими сигнал бактериями и химическими веществами, наложенный на другой слой нитей «выхода», или принимающих сигнал. бактерии. Они обнаружили, что выходные нити загораются только тогда, когда они перекрываются и получают входные сигналы от соответствующих бактерий.
Юк говорит, что в будущем исследователи могут использовать технику команды для печати «живых компьютеров» - структур с несколькими типами ячеек, которые взаимодействуют друг с другом, передавая сигналы туда и обратно, как транзисторы на микрочипе.
«Это очень перспективная работа, но мы рассчитываем, что сможем печатать живые вычислительные платформы, которые можно было бы носить», - говорит Юк.
Для более краткосрочных применений исследователи стремятся изготовить индивидуальные датчики в виде гибких накладок и наклеек, которые можно было бы разработать для обнаружения различных химических и молекулярных соединений. Они также предполагают, что их технология может быть использована для производства капсул с лекарствами и хирургических имплантатов, содержащих модифицированные клетки, производящие соединения, такие как глюкоза, которые будут высвобождаться в терапевтических целях с течением времени.
«Мы можем использовать бактериальные клетки, как рабочие на трехмерной фабрике», - говорит Лю. «Они могут быть спроектированы для производства лекарств в трехмерном каркасе, и их применение не должно ограничиваться эпидермальными устройствами. Пока метод изготовления и подход жизнеспособны, такие приложения, как имплантаты и пищевые продукты, должны быть возможны».
Видео: