Los Ingenieros Imprimen En 3D Células Programadas En Dispositivos Vivos

Ingenieros imprimen en 3D un "tatuaje viviente"

Ingenieros de MIT han desarrollado una técnica de impresión 3D que utiliza un nuevo tipo de tinta fabricada a partir de células vivas programadas genéticamente.

Las células están diseñadas para iluminarse en respuesta a una variedad de estímulos. Cuando se mezcla con una suspensión de hidrogel y nutrientes, las células se pueden imprimir, capa por capa, para formar estructuras y dispositivos interactivos tridimensionales.

Luego, el equipo demostró su técnica imprimiendo un “tatuaje viviente”: un parche delgado y transparente con un patrón de células de bacterias vivas en forma de árbol. Cada rama del árbol está revestida de células sensibles a un compuesto químico o molecular diferente. Cuando el parche se adhiere a la piel que ha estado expuesta a los mismos compuestos, las regiones correspondientes del árbol se iluminan en respuesta.

Los investigadores, dirigidos por Xuanhe Zhao, profesor de desarrollo profesional de Noyce en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, y Timothy Lu, profesor asociado de ingeniería biológica y de ingeniería eléctrica e informática, dicen que su técnica se puede utilizar para fabricar materiales “activos”. para sensores portátiles y pantallas interactivas. Dichos materiales se pueden modelar 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 3D dada, bajo una variedad de condiciones. El equipo dice que los investigadores pueden usar el modelo como guía para diseñar materiales vivos receptivos.

Zhao, Lu y sus colegas han publicado sus resultados hoy en la revista Advanced Materials . 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 postdoctorado Cesar de la Fuente-Nunez.

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 estructuras fotoactivadas 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 tintas impresas en 3D, particularmente porque pueden ser modificadas genéticamente para responder a una variedad de estímulos. Los investigadores no son los primeros en considerar la impresión 3D de células modificadas genéticamente; 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 los mamíferos son básicamente globos de bicapa de lípidos”, dice Yuk. “Son demasiado débiles y se rompen fácilmente”.

En cambio, el equipo identificó un tipo de célula bacteriana más resistente. 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 una impresora. Además, las bacterias, a diferencia de las células de los mamíferos, son compatibles con la mayoría de los hidrogeles, materiales en forma de gel que están hechos de una mezcla de principalmente 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 hospedaría mejor las células bacterianas. Después de una extensa búsqueda, un hidrogel con pluronic ácido resultó ser el material más compatible. El hidrogel también exhibió una consistencia ideal para la impresión 3D.

“Este hidrogel tiene características de flujo ideales para imprimir a través de una boquilla”, dice Zhao. “Es como exprimir pasta de dientes. Necesitas que [la tinta] fluya por una boquilla como la pasta de dientes, y puede mantener su forma después de imprimirse “.

Los ingenieros del MIT imprimen en 3D un "tatuaje viviente"

De tatuajes a computadoras vivientes

Lu proporcionó al equipo células bacterianas diseñadas para encenderse en respuesta a una variedad de estímulos químicos. Luego, los investigadores idearon una receta para su tinta 3D, utilizando una combinación de bacterias, hidrogel y nutrientes para sostener las células y mantener su funcionalidad.

“Descubrimos 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 estructuras relativamente a gran escala, que midan varios centímetros “.

Imprimieron la tinta usando una impresora 3D personalizada que construyeron usando elementos estándar combinados con accesorios que ellos mismos mecanizaron. Para demostrar la técnica, el equipo imprimió un patrón de hidrogel con células en forma de árbol sobre una capa de elastómero. Después de imprimir, solidificaron o curaron el parche exponiéndolo a radiación ultravioleta. Luego adhieren a la piel la capa de elastómero transparente con los patrones vivos sobre ella.

Para probar el parche, los investigadores untaron varios compuestos químicos en el dorso de la mano de un sujeto de prueba y luego presionaron el parche de hidrogel sobre la piel expuesta. Durante varias horas, las ramas del árbol del parche se iluminaron cuando las bacterias sintieron sus correspondientes estímulos químicos.

Los investigadores también diseñaron bacterias para comunicarse entre sí; por ejemplo, programaron algunas celdas para que se iluminen solo cuando reciban una determinada señal de otra celda. Para probar este tipo de comunicación en una estructura 3D, imprimieron una hoja delgada de filamentos de hidrogel con “entrada” o bacterias y sustancias químicas productoras de señales, superpuestas con otra capa de filamentos de una “salida” o bacteria receptora de señales. Encontraron que los filamentos de salida se iluminaban solo cuando se superponían y recibían señales de entrada de las bacterias correspondientes.

Yuk dice que en el futuro, los investigadores pueden usar la técnica del equipo para imprimir “computadoras vivientes”, estructuras con múltiples tipos de células que se comunican entre sí, pasando señales de un lado a otro, al igual que los transistores en un microchip.

“Este es un trabajo muy futuro, pero esperamos poder imprimir plataformas computacionales vivas que se puedan usar”, dice Yuk.

Para aplicaciones a más 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 se puede utilizar para fabricar cápsulas de fármacos e implantes quirúrgicos, que contienen células manipuladas para producir compuestos como glucosa, que se liberarán terapéuticamente con el tiempo.

“Podemos utilizar células bacterianas como trabajadores en una fábrica 3D”, dice Liu. “Pueden diseñarse para producir fármacos dentro de un andamio 3D, y las aplicaciones no deben limitarse a dispositivos epidérmicos. Siempre que el método y el enfoque de fabricación sean viables, deberían ser posibles aplicaciones como implantes e ingeribles “.

Esta investigación fue apoyada, en parte, por la Oficina de Investigación Naval, la Fundación Nacional de Ciencias, los Institutos Nacionales de Salud y el Instituto MIT de Nanotecnologías para Soldados.

Publicación: ue Liu, et al., “Impresión 3D de materiales y dispositivos vivos sensibles”, Materiales avanzados, 2017; DOI: 10.1002 / adma.201704821

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