los ingenieros del MIT han ideado una técnica de impresión en 3-D que utiliza un nuevo tipo de tinta hecha de células vivas genéticamente programadas.
Las células están diseñadas para encenderse en respuesta a una variedad de estímulos. Cuando se mezclan con una suspensión de hidrogel y nutrientes, las células se pueden imprimir, capa por capa, para formar estructuras y dispositivos interactivos tridimensionales.
El equipo demostró su técnica imprimiendo un "tatuaje vivo": un parche delgado y transparente estampado con células de bacterias vivas en forma de árbol. Cada rama del árbol está revestida con células sensibles a un químico diferente ocompuesto molecular. Cuando el parche se adhiere a la piel que ha sido expuesta a los mismos compuestos, las regiones correspondientes del árbol se iluminan en respuesta.
Los investigadores, dirigidos por Xuanhe Zhao, el Profesor de Desarrollo de Carrera Noyce en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, y Timothy Lu, profesor asociado de ingeniería biológica y de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación, dicen que su técnica se puede utilizar para fabricar "activos"materiales para sensores portátiles y pantallas interactivas. Dichos materiales se pueden diseñar con células vivas diseñadas para detectar sustancias químicas y contaminantes ambientales, así como cambios en el pH y la temperatura".
Además, el equipo desarrolló un modelo para predecir las interacciones entre las células dentro de una estructura impresa en 3-D dada, bajo una variedad de condiciones. El equipo dice que los investigadores pueden usar el modelo como guía en el diseño de materiales vivos sensibles.
Zhao, Lu y sus colegas han publicado sus resultados hoy en la revista Materiales avanzados . Los coautores del artículo son los estudiantes graduados Xinyue Liu, Hyunwoo Yuk, Shaoting Lin, el alemán Alberto Parada, Tzu-Chieh Tang, Eléonore Tham y el postdoc César de la Fuente-Núñez.
Una alternativa resistente
En los últimos años, los científicos han explorado una variedad de materiales sensibles como base para las tintas impresas en 3D. Por ejemplo, los científicos han usado tintas hechas de polímeros sensibles a la temperatura para imprimir objetos que cambian de forma sensibles al calor. Otros han impreso fotoactivadosestructuras de polímeros que se encogen y estiran en respuesta a la luz.
El equipo de Zhao, trabajando con bioingenieros en el laboratorio de Lu, se dio cuenta de que las células vivas también podrían servir como materiales sensibles para las tintas impresas en 3D, particularmente porque pueden ser modificadas genéticamente para responder a una variedad de estímulos. Los investigadores no son los primeros enconsidere la impresión en 3-D de células genéticamente modificadas; otros han intentado hacerlo utilizando células de mamíferos vivos, pero con poco éxito.
"Resulta que esas células estaban muriendo durante el proceso de impresión, porque las células de mamíferos son básicamente globos de bicapa lipídica", dice Yuk. "Son demasiado débiles y se rompen fácilmente".
En cambio, el equipo identificó un tipo de célula más resistente en bacterias. Las células bacterianas tienen paredes celulares resistentes que pueden sobrevivir en condiciones relativamente duras, como las fuerzas aplicadas a la tinta cuando se empuja a través de la boquilla de la impresora. Además, las bacterias, a diferencia delas células de mamíferos son compatibles con la mayoría de los hidrogeles, materiales similares a un gel que están hechos de una mezcla de agua y un poco de polímero. El grupo descubrió que los hidrogeles pueden proporcionar un ambiente acuoso que puede soportar bacterias vivas.
Los investigadores llevaron a cabo una prueba de detección para identificar el tipo de hidrogel que mejor alojaría a las células bacterianas. Después de una búsqueda exhaustiva, se descubrió que un hidrogel con ácido plurónico era el material más compatible. El hidrogel también exhibió una consistencia ideal para 3-D impresión.
"Este hidrogel tiene características de flujo ideales para imprimir a través de una boquilla", dice Zhao. "Es como exprimir la pasta de dientes. Necesita [la tinta] para salir de una boquilla como la pasta de dientes, y puede mantener su forma después de la impresión"
De tatuajes a computadoras vivas
Lu proporcionó al equipo células bacterianas diseñadas para iluminarse en respuesta a una variedad de estímulos químicos. Luego, los investigadores idearon una receta para su tinta tridimensional, utilizando una combinación de bacterias, hidrogel y nutrientes para mantener elcélulas y mantener su funcionalidad.
"Encontramos que esta nueva fórmula de tinta funciona muy bien y puede imprimir a una alta resolución de aproximadamente 30 micrómetros por función", dice Zhao. "Eso significa que cada línea que imprimimos contiene solo unas pocas celdas. También podemos imprimir relativamente grandes-estructuras a escala, que miden varios centímetros "
Imprimieron la tinta usando una impresora 3-D personalizada que construyeron usando elementos estándar combinados con accesorios que maquinaron ellos mismos. Para demostrar la técnica, el equipo imprimió un patrón de hidrogel con células en forma de árbol en una capa de elastómeroDespués de imprimir, solidificaron o curaron el parche exponiéndolo a la radiación ultravioleta. Luego adhirieron la capa de elastómero transparente con los patrones vivos en la piel.
Para probar el parche, los investigadores untaron varios compuestos químicos en el dorso de la mano de un sujeto de prueba, luego presionaron el parche de hidrogel sobre la piel expuesta. Durante varias horas, las ramas del árbol del parche se iluminaron cuando las bacterias detectaron sus estímulos químicos correspondientes.
Los investigadores también diseñaron bacterias para comunicarse entre sí; por ejemplo, programaron algunas células para que se iluminaran solo cuando reciben una cierta señal de otra célula. Para probar este tipo de comunicación en una estructura tridimensional, imprimieron una delgadahoja de filamentos de hidrogel con "entrada", o bacterias y químicos que producen señales, superpuestos con otra capa de filamentos de una "salida", o bacterias receptoras de señales. Descubrieron que los filamentos de salida se iluminaban solo cuando se superponían y recibían señales de entradade las bacterias correspondientes.
Yuk dice que en el futuro, los investigadores pueden usar la técnica del equipo para imprimir "computadoras vivas", estructuras con múltiples tipos de células que se comunican entre sí, transmitiendo señales de un lado a otro, como los transistores en un microchip.
"Este es un trabajo muy futuro, pero esperamos poder imprimir plataformas computacionales vivas que podrían ser ponibles", dice Yuk.
Para aplicaciones más a corto plazo, los investigadores apuntan a fabricar sensores personalizados, en forma de parches flexibles y adhesivos que podrían diseñarse para detectar una variedad de compuestos químicos y moleculares. También imaginan que su técnica podría usarse para fabricarLas cápsulas de medicamentos y los implantes quirúrgicos, que contienen células modificadas por ingeniería genética, producen compuestos como la glucosa, que se liberan terapéuticamente con el tiempo.
"Podemos usar células bacterianas como trabajadores en una fábrica tridimensional", dice Liu. "Pueden ser diseñadas para producir medicamentos dentro de un andamio tridimensional, y las aplicaciones no deben limitarse a dispositivos epidérmicos. Siempre y cuandoel método y el enfoque de fabricación son viables, deberían ser posibles aplicaciones como implantes e ingeribles "
Video: http://news.mit.edu/2017/engineers-3-d-print-living-tattoo-1205
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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