Levende tatoeages met genetisch gemanipuleerde bacteriën:een nieuwe innovatie op het gebied van bioprinten

• Onderzoekers creëren een celgevoelige, dunne tatoeage die gloeit wanneer deze in contact komt met de huidcellen. 
• De tatoeage-inkt is gemaakt van hydrogel en een mengsel van voedingsstoffen om de cellen in leven te houden.
• De inkt kan worden afgedrukt met een hoge resolutie – ongeveer 30 micrometer.
• Een 3D-geprinte levende tatoeage beschikt over 3 verschillende sensoren, die compressie, uitrekking en draaien kunnen verdragen.

Onderzoekers van het MIT hebben een nieuwe methode gevonden om een speciaal soort inkt te gebruiken, gemaakt van genetisch geprogrammeerde levende cellen. Ze hebben een tijdelijke tatoeage bedacht en het prototype ziet eruit als een dunne, transparante, zelfklevende patch met een boomvormig patroon.

Het is verdeeld in verschillende secties die celgevoelig zijn voor een andere chemische verbinding. Wanneer deze tatoeage in contact komt met de huid, wordt deze blootgesteld aan een bepaalde stof (aanwezig in de menselijke huid), waardoor overeenkomstige delen van de boom als reactie oplichten.

Dit gebeurt omdat cellen zijn ontworpen om op te lichten als reactie op verschillende soorten stimuli. In combinatie met een slurry van voedingsstoffen en waterstof kunnen de cellen laag voor laag worden geprint om een interactieve 3D-structuur te vormen.

Eerdere onderzoeken op hetzelfde gebied

Stimuli-responsief materiaal is niet iets nieuws; onderzoek en ontwikkeling zijn al meer dan tien jaar aan de gang. Een materiaal dat goed reageert op chemicaliën kan bijvoorbeeld worden gebruikt om een chemische sensor te maken, of een materiaal dat reageert op hoge temperaturen kan worden gebruikt om zelfassemblerende robots te ontwikkelen

Omdat 3D-printen nu breed toegankelijk is en tegen veel lagere prijzen beschikbaar is, is het een gebruikelijke methode geworden voor het ontwikkelen van experimentele objecten, inclusief op stimuli reagerende materialen.

Deze keer realiseerden onderzoekers echter een manier om levende cellen te gebruiken die kunnen worden geprogrammeerd en verkregen in een 3D-geprint reactief materiaal. Onderzoek dat tot nu toe is gedaan, suggereert dat in ieder geval zoogdiercellen hiervoor niet haalbaar zouden zijn. Ze kunnen niet werken onder de zware omstandigheden van 3D-printen – blootstelling aan ultraviolette straling tijdens verknoping, schuifkracht tijdens extrusie en nog veel meer. Omdat de zoogdiercellen dubbellaagse lipideballonnen zijn, sterven de cellen tijdens het printproces.

Daarentegen zijn bacteriële cellen met een beschermende celwand veel sterker. Ze zijn compatibel met de meeste hydrogels – materiaal gemaakt van polymeer en water, en gebruikt in een breed scala aan medische toepassingen.

De nieuwe levende responsieve inkt

MIT-onderzoekers gebruiken een nieuwe techniek om ‘actief’ materiaal te fabriceren voor interactieve displays en draagbare sensoren. In feite zouden deze materialen gecombineerd kunnen worden met levende cellen om chemische stoffen en verontreinigende stoffen uit de omgeving waar te nemen, evenals kleine veranderingen in temperatuur en pH.

Met behulp van genetisch geprogrammeerde bacteriecellen bouwde het team een inkt gemaakt van hydrogel en een mengsel van voedingsstoffen om de cellen in leven te houden.

Meer specifiek hebben ze een reeks bacteriële cellen ontwikkeld die groen fluorescerend eiwit (GFP) kunnen genereren of chemicaliën kunnen afscheiden als reactie op vier verschillende signaalchemicaliën, die vrijelijk door de hydrogel diffunderen. Bio-inkt met pure pluronic F127-diacrylaatmicellen herstelt na het printen naar een verpakkingstoestand, die wordt gestabiliseerd door ultraviolette verknoping.

Referentie:Geavanceerde materialen | 10.1002/adma.201704821 | Via MIT Nieuws 

Ze hebben ook een model gebouwd om de interacties tussen cellen binnen een 3D-geprinte structuur, onder verschillende omstandigheden, te voorspellen. Dit model zou door andere wetenschappers gebruikt kunnen worden als leidraad voor het creëren van responsieve levende materialen.

De inkt die ze hebben ontwikkeld kan met een hoge resolutie worden geprint:ongeveer 0,03 millimeter of 30 micrometer. Zelfs piramideachtige verbindingen tussen analyt en sensor zijn eenvoudig te realiseren. Multi-inkt 3D-printen maakt de constructie van verschillende logische poorten mogelijk met behulp van GFP-fluorescentie als uitvoer. Ze hebben het testpatroon al op elastomeer geprint en op de met chemicaliën besmeurde huid geplakt.

Spatiotemporeel gecontroleerde patroonvorming wordt bereikt dankzij een goed gedefinieerde ruimtelijke distributie van hydrogel, tijdsafhankelijkheid van de signaalmolecuuldiffusie en GFP-productie.

De gel die bestaat uit bacteriën die reageren op N-acylhomoserinelacton, kan in ingewikkelde patronen worden afgedrukt. Verbinding met N-acylhomoserinelacton-bevattende gel induceert GFP-productie van de bacteriën, die zich 's nachts door de hele sensor verspreidt.  

Een 3D-geprinte levende tatoeage, ontwikkeld met behulp van deze methodologie, beschikt over 3 verschillende sensoren, die compressie, uitrekking en draaien kunnen verdragen. Toepassing van analyten veroorzaakt alleen nauwkeurige lokale reacties in het betreffende sensorgebied.  

Een paar uur lang lichtten verschillende delen van het boompatroon in de tatoeage op toen de bacterie in direct contact kwam met de chemische stimuli. Bacteriële cellen kunnen ook met elkaar communiceren en fluoresceren nadat ze een specifiek signaal van een andere cel hebben ontvangen.

Onderzoekers hebben het getest in een 3D-structuur, waarbij twee met hydrogelfilamenten bedrukte vellen over elkaar heen liggen. Ze lichtten op als ze met elkaar in contact kwamen en het specifieke communicatiesignaal kregen.

Lezen:Magnesium-ionbatterijen zijn efficiënter en veiliger dan lithium

Wat is het volgende?

In de nabije toekomst verwachten onderzoekers een levend, draagbaar computerplatform en structuren te kunnen printen met verschillende soorten cellen die signalen heen en weer kunnen doorgeven, net zoals transistors op een microchip.

Ze werken aan de ontwikkeling van medicijnafgiftesystemen en chemische sensoren, die kunnen worden geprogrammeerd om medicijnen in de loop van de tijd in het lichaam af te geven.