工程师3D将编程的细胞打印到生活设备中

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em麻省理工学院的工程师开发了一种3D打印技术,该技术使用由基因编程的活细胞制成的新型墨水。 / em

细胞被设计为响应各种刺激而点亮。当与水凝胶和营养素的浆液混合时,可以逐层印刷细胞以形成三维互动结构和装置。

随后,该团队通过印制“活体纹身”来展示其技术,这种活体纹身是一种薄薄,透明的贴片,以活细菌细胞为树形图案。树的每个分支都排列着对不同化学或分子化合物敏感的细胞。当贴片贴在已经暴露在相同化合物上的皮肤上时,树的相应区域作为响应点亮。

由麻省理工学院机械工程系Noyce职业发展教授Xuanhe Zhao和生物工程与电子工程与计算机科学副教授Timothy Lu领导的研究人员表示,他们的技术可用于制造“活性”材料用于可穿戴式传感器和交互式显示器。这种材料可以用活细胞进行图案化设计,以检测环境化学物质和污染物以及pH和温度的变化。

更重要的是,该团队开发了一个模型来预测在各种条件下给定3D打印结构中的单元之间的相互作用。该团队说研究人员可以使用该模型作为设计响应式生物材料的指导。

赵璐及其同事今天在“高级材料 / em期刊上发表了他们的结果。这篇论文的合着者是研究生刘新月,郝炫宇,林绍廷,德国阿尔贝托帕拉达,慈济唐,埃洛诺雷尔塔姆和博士后塞萨尔德拉富恩特 - 努涅斯。

一个强有力的选择

近年来,科学家们已经探索了各种响应性材料作为3D打印墨水的基础。例如,科学家已经使用由温度敏感的聚合物制成的墨水来打印热响应形状变化的物体。其他人已经印刷了聚合物的光敏化结构,这些结构会因光线而收缩和伸展。

Zhao的团队与Lu实验室的生物工程师合作,意识到活细胞也可以作为3D打印墨水的响应材料,特别是因为它们可以通过基因工程来响应各种刺激。研究人员并不是第一个考虑3D打印基因工程细胞的人;其他人则尝试使用活哺乳动物细胞,但收效甚微。

“事实证明,这些细胞在印刷过程中会死亡,因为哺乳动物细胞基本上是脂质双层气球,”Yuk说。 “他们太弱了,容易破裂。”

相反,该团队确定了一种更细的细胞类型。细菌细胞具有坚韧的细胞壁,能够在相对苛刻的条件下存活,例如在通过打印机喷嘴时施加到墨水上的力。此外,与哺乳动物细胞不同,细菌与大多数水凝胶兼容 - 凝胶状材料由大多数水和少量聚合物混合制成。该小组发现水凝胶可以提供可以支持活细菌的水环境。

研究人员进行了筛选测试,以确定最适合宿主细菌细胞的水凝胶类型。经过广泛的搜索后,发现含有普朗尼克酸的水凝胶是最相容的材料。水凝胶还表现出3D打印的理想一致性。

“这种水凝胶具有通过喷嘴打印的理想流动特性,”Zhao说。 “这就像挤出牙膏。你需要[墨水]从牙膏那样的喷嘴流出,并且它可以在印刷后保持其形状。“

从纹身到生活电脑

Lu为细菌细胞提供了细菌细胞,以响应各种化学刺激而点亮。研究人员随后提出了他们的3-D墨水的配方,使用细菌,水凝胶和营养素的组合来维持细胞并保持其功能。

“我们发现这种新型墨水配方工作得很好,可以以每个特征约30微米的高分辨率进行打印,”赵说。 “这意味着我们打印的每一行只包含几个单元格。我们也可以打印比较大型的结构,测量几厘米。“

他们使用自定义3D打印机打印墨水,他们使用标准元素和自己加工的夹具进行组合。为了展示这种技术,该团队在弹性体层上印刷了一种树状细胞的水凝胶图案。印刷后,它们通过将其暴露于紫外线辐射下而固化或固化贴剂。然后,他们将透明弹性体层与其上的活体图案粘附在皮肤上。

为了测试贴片,研究人员将几种化合物涂抹在受试者的手背上,然后将水凝胶贴片压在暴露的皮肤上。几个小时后,当细菌感受到相应的化学刺激时,补丁树的分支点亮。

研究人员还设计了细菌以相互沟通;例如他们编程一些细胞只有在他们从另一个细胞接收到某个信号时才点亮。为了测试这种三维结构的通讯方式,他们用“输入”或产生信号的细菌和化学物质打印了一薄层水凝胶细丝,并与另一层“输出”细丝或信号接收细菌重叠。他们发现输出灯丝只有在重叠并接收来自相应细菌的输入信号时才点亮。

Yuk说未来,研究人员可能会利用团队的技术来打印“活体电脑” - 这种电脑具有多种类型的单元,可以相互通信,来回传递信号,就像微芯片上的晶体管一样。

“这是非常有前景的工作,但我们希望能够打印可以耐磨的生活计算平台,”Yuk说。

对于更近期的应用,研究人员正致力于制造定制的传感器,以灵活的贴片和贴纸的形式进行设计,以检测各种化学和分子化合物。他们还设想他们的技术可用于制造药物胶囊和外科植入物,包含工程化产生化合物如葡萄糖的细胞,随时间释放治疗。

“我们可以在3D工厂使用细菌细胞,如工人,”刘说。 “他们可以设计成在三维支架内生产药物,而且应用不应局限于表皮装置。只要制造方法和方法可行,植入物和可摄入物等应用都是可能的。“

这项研究部分得到了海军研究办公室,国家科学基金会,国家卫生研究院和麻省理工学院士兵纳米技术研究所的支持。

出版物:ue Liu等人,“活体感应材料和装置的3D打印”,Advanced Materials,2017; DOI:10.1002 / adma.201704821

资料来源:麻省理工学院新闻社Jennifer Chu