Живые татуировки с генно-инженерными бактериями:новая инновация в биопечати

• Исследователи создали чувствительную к клеткам тонкую татуировку, которая светится при контакте с клетками кожи. 
• Чернила для татуировки состоят из гидрогеля и смеси питательных веществ, поддерживающих жизнь клеток.
• Чернила можно печатать с высоким разрешением — примерно 30 микрометров.
• Живая татуировка, напечатанная на 3D-принтере, оснащена тремя различными датчиками, которые могут выдерживать сжатие, растяжение и скручивание.

Исследователи из Массачусетского технологического института нашли новый метод использования особого вида чернил, изготовленных из генетически запрограммированных живых клеток. Они разработали временную татуировку, прототип которой представляет собой тонкую прозрачную наклейку с узором в форме дерева.

Он разделен на несколько секций, чувствительных клеток к разным химическим соединениям. Когда эта татуировка соприкасается с кожей, она подвергается воздействию особого соединения (присутствующего в коже человека), в результате чего соответствующие участки дерева загораются в ответ.

Это происходит потому, что клетки устроены так, чтобы светиться в ответ на различные виды стимулов. В сочетании со смесью питательных веществ и водорода клетки можно печатать слой за слоем, чтобы сформировать интерактивную трехмерную структуру.

Предыдущие исследования в той же области

Материал, реагирующий на стимулы, не является чем-то новым:исследования и разработки продолжаются уже более десяти лет. Например, материал, который хорошо реагирует на химические вещества, можно использовать для создания химического сенсора, а материал, реагирующий на высокие температуры, можно использовать для разработки самособирающихся роботов.

Поскольку 3D-печать теперь широко доступна и доступна по гораздо более низким ценам, она стала распространенным методом разработки экспериментальных объектов, включая материалы, реагирующие на стимулы.

Однако на этот раз исследователи нашли способ использовать живые клетки, которые можно запрограммировать и получить в реактивном материале, напечатанном на 3D-принтере. Исследования, проведенные на сегодняшний день, показывают, что, по крайней мере, клетки млекопитающих для этого не подходят. Они не могут работать в суровых условиях 3D-печати — воздействие ультрафиолета при сшивании, сдвиговая сила при экструзии и многое другое. Поскольку клетки млекопитающих представляют собой липидные двухслойные шарики, клетки погибают в процессе печати.

С другой стороны, бактериальные клетки с защитной клеточной стенкой гораздо прочнее. Они совместимы с большинством гидрогелей – материала, состоящего из полимера и воды и используемого в широком спектре медицинских применений.

Новые живые адаптивные чернила

Исследователи Массачусетского технологического института используют новую технику для изготовления «активного» материала для интерактивных дисплеев и носимых датчиков. Фактически, эти материалы можно комбинировать с живыми клетками, чтобы определять химические вещества и загрязнители окружающей среды, а также небольшие изменения температуры и pH.

Используя генетически запрограммированные бактериальные клетки, команда создала чернила из гидрогеля и смеси питательных веществ, поддерживающие жизнь клеток.

В частности, они создали ряд бактериальных клеток, которые могут генерировать зеленый флуоресцентный белок (GFP) или выделять химические вещества в ответ на четыре различных сигнальных химических вещества, которые свободно диффундируют по гидрогелю. Биочернила, содержащие чистые мицеллы диакрилата плюроника F127, после печати восстанавливаются до состояния упаковки, которое стабилизируется за счет ультрафиолетовой сшивки.

Ссылка: Дополнительные материалы | 10.1002/adma.201704821 | Через Новости MIT 

Они также создали модель для прогнозирования взаимодействия между клетками внутри 3D-печатной структуры в различных условиях. Эта модель может быть использована другими учеными в качестве руководства для создания адаптивных живых материалов.

Разработанные ими чернила позволяют печатать с высоким разрешением — примерно 0,03 миллиметра или 30 микрометров. Легко достигаются даже пирамидальные соединения аналита и сенсора. Многокрасочная 3D-печать позволяет создавать несколько логических вентилей, используя флуоресценцию GFP в качестве выходного сигнала. Они уже напечатали тестовый рисунок на эластомере и прикрепили его к коже, испачканной химикатами.

Пространственно-временно-контролируемое формирование паттерна достигается за счет четко определенного пространственного распределения гидрогеля, временной зависимости диффузии сигнальных молекул и продукции GFP.

На геле, состоящем из бактерий, чувствительных к N-ацил-гомосерин-лактону, можно напечатать замысловатые узоры. Соединение с гелем, содержащим N-ацил-гомосерин-лактон, индуцирует выработку GFP бактериями, которые рассеиваются по всему сенсору в течение ночи.  

Живая татуировка, напечатанная на 3D-принтере, созданная с использованием этой методики, оснащена тремя различными датчиками, которые могут выдерживать сжатие, растяжение и скручивание. Применение аналитов вызывает точные локальные реакции только в соответствующей области датчика.  

В течение нескольких часов различные участки рисунка дерева на татуировке загорались, когда бактерии вступили в прямой контакт с химическими раздражителями. Бактериальные клетки также могут общаться друг с другом и флуоресцировать после получения определенного сигнала от другой клетки.

Исследователи протестировали его в 3D-структуре, наложив два напечатанных листа гидрогелевых нитей. Они загорались, когда соприкасались друг с другом и получали конкретный сигнал связи.

Читайте:Магниево-ионные аккумуляторы эффективнее и безопаснее литиевых

Что дальше?

В ближайшем будущем исследователи ожидают, что смогут печатать живые носимые вычислительные платформы и структуры с несколькими различными типами ячеек, которые смогут передавать сигналы туда и обратно, подобно транзисторам на микрочипе.

Они работают над разработкой систем доставки лекарств и химических датчиков, которые можно запрограммировать на доставку лекарств в организм с течением времени.