Les ingénieurs en 3D impriment un "tatouage en direct"

Les ingénieurs du MIT ont conçu une technique d’impression 3D qui utilise un nouveau type d’encre à base de cellules vivantes génétiquement modifiées.

Les cellules sont conçues pour s’éclairer elles-mêmes en réponse à un grand nombre de stimuli. Lorsqu'elles sont mélangées avec une suspension d'hydrogel et de nutriments, les cellules peuvent être imprimées, couche par couche, pour former des structures et des dispositifs tridimensionnels et interactifs.

L’équipe a démontré sa technique en imprimant un "tatouage vivant": une mince plaque transparente dessinée avec des cellules de bactéries vivantes sous la forme d’un arbre. Chaque branche de l'arbre est bordée de cellules sensibles à un composé chimique ou moléculaire différent. Lorsque le patch est attaché à une peau exposée aux mêmes composés, les régions correspondantes de l’arbre sont éclairées en réponse.

Les chercheurs, dirigés par Xuanhe Zhao, professeur de développement professionnel de Noyce au département de génie mécanique du MIT, et Timothy Lu, professeur agrégé de génie biologique et de génie électrique et informatique, Ils disent que leur technique peut être utilisée pour fabriquer des matériaux "actifs". pour capteurs et écrans interactifs. Ces matériaux peuvent être modélisés avec des cellules vivantes conçues pour détecter les produits chimiques et les polluants environnementaux, ainsi que les variations de pH et de température.

En outre, l'équipe a développé un modèle permettant de prédire les interactions entre les cellules d'une certaine structure imprimée en 3D, dans diverses conditions. L'équipe affirme que les chercheurs peuvent utiliser le modèle comme guide pour concevoir des matériaux vivants sensibles.

Zhao, Lu et ses collègues ont publié leurs résultats aujourd'hui dans le magazine Matériaux avancés. Les coauteurs du document sont les étudiants gradués Xinyue Liu, Hyunwoo Yuk, Shaoting Lin, l’Allemand Alberto Parada, Tzu-Chieh Tang, Eléonore Tham et le postdoctoral César de la Fuente-Núñez.

Une alternative difficile

Ces dernières années, les scientifiques ont exploré une grande variété de matériaux sensibles comme base d’encres imprimées en 3D. Par exemple, les scientifiques ont utilisé des encres fabriquées avec des polymères sensibles à la température pour imprimer des objets modifiant la forme sensible à la chaleur. D'autres ont imprimé des structures photoactivées à partir de polymères qui rétrécissent et s'étendent en réponse à la lumière.

L’équipe de Zhao, qui a travaillé avec la bio-ingénierie au laboratoire de Lu, a compris que les cellules vivantes pouvaient également être un matériau sensible pour les encres imprimées en 3D, d’autant plus qu’elles pouvaient être modifiées par génie génétique pour répondre à divers stimuli. Les chercheurs ne sont pas les premiers à proposer un génie génétique dans les cellules 3D. d'autres ont essayé de le faire en utilisant des cellules de mammifère vivants, mais sans grand succès.

"Il s'avère que ces cellules sont mortes au cours du processus d'impression, car les cellules de mammifère sont essentiellement des globules de bicouche lipidique", explique Yuk. "Ils sont trop faibles et se cassent facilement."

D'autre part, l'équipe a identifié un type de cellule plus résistant chez les bactéries. Les cellules bactériennes ont des parois de cellules dures capables de survivre à des conditions relativement dures, telles que les forces appliquées à l'encre, lorsqu'elle est entraînée par la buse de l'imprimante. En outre, contrairement aux cellules de mammifères, les bactéries sont compatibles avec la plupart des hydrogels, des matériaux analogues à des gels fabriqués à partir d'un mélange composé principalement d'eau et de polymère. Le groupe a constaté que les hydrogels peuvent fournir un environnement aqueux pouvant résister aux bactéries vivantes.

Les chercheurs ont mené un test de dépistage pour identifier le type d'hydrogel qui conviendrait le mieux aux cellules bactériennes. Après des recherches approfondies, il s’est avéré que le matériau le plus compatible était un hydrogel avec de l’acide pluronique. L'hydrogel a également montré une consistance idéale pour l'impression 3D.

"Cet hydrogel présente les caractéristiques d'écoulement idéales pour l'impression à travers une buse", explique Zhao. "C'est comme prendre un dentifrice. Vous avez besoin [the ink] Ils laissent une buse comme un dentifrice et peuvent conserver leur forme après l’impression. "

Des tatouages ​​aux ordinateurs en direct

Lu a fourni des cellules bactériennes conçues pour éclairer en réponse à un grand nombre de stimuli chimiques. Les chercheurs ont présenté une recette pour leur encre 3D, combinant des bactéries, de l’hydrogel et des nutriments pour soutenir les cellules et préserver leur fonctionnalité.

"Nous avons constaté que cette nouvelle formule d'encre fonctionnait très bien et pouvait imprimer à une résolution élevée d'environ 30 micromètres par fonction", déclare Zhao. "Cela signifie que chaque ligne que nous imprimons ne contient que quelques cellules. Nous pouvons également imprimer des structures à grande échelle à grande échelle, de plusieurs centimètres."

Ils ont imprimé l'encre à l'aide d'une imprimante tridimensionnelle personnalisée, créée à l'aide d'éléments standard combinés à des accessoires fabriqués par leurs soins. Pour démontrer la technique, l'équipe a imprimé un motif d'hydrogel avec des cellules sous la forme d'un arbre sur une couche d'élastomère. Après impression, ils se sont solidifiés ou durcis, le patch l’exposant au rayonnement ultraviolet. Ensuite, adhérez à la peau de la couche d’élastomère transparent avec des motifs de vie.

Pour tester le patch, les chercheurs ont découpé plusieurs composés chimiques dans le dos des mains d'un sujet à tester, puis ont appliqué le patch d'hydrogel sur la peau exposée. Pendant plusieurs heures, les branches du patch ont été illuminées lorsque les bactéries ont détecté leurs stimuli chimiques correspondants.

Les chercheurs ont également conçu des bactéries pour communiquer entre elles. Par exemple, ils ont programmé certaines cellules pour qu’elles s’illuminent uniquement lorsqu’elles recevaient un certain signal d’une autre cellule. Pour tester ce type de communication dans une structure 3D, ils ont imprimé un film mince de filaments d'hydrogel avec "entrée", ou de bactéries et de produits chimiques produisant un signal, superposés sur une autre couche de filaments de "sortie" ou la réception du signal. les bactéries Ils ont constaté que les filaments de sortie ne s'éclairaient que lorsqu'ils étaient liés et recevaient des signaux d'entrée des bactéries correspondantes.

Yuk dit que, dans le futur, les chercheurs pourront utiliser la technique de l'ordinateur pour imprimer des "ordinateurs vivants": structures avec plusieurs types de cellules qui communiquent entre elles, transmettant des signaux à sens unique et d'autres, telles que Les transistors de la micropuce.

"C'est un travail très futur, mais nous espérons imprimer des plates-formes informatiques en direct pouvant être portables", a déclaré Yuk.

Pour des applications à court terme, les chercheurs ont pour objectif la fabrication de capteurs personnalisés, sous forme de patchs et d'adhésifs flexibles pouvant être conçus pour détecter une grande variété de composés chimiques et moléculaires. Ils prévoient également que leur technique pourra être utilisée pour fabriquer des capsules de médicaments et des implants chirurgicaux, contenant des cellules conçues pour produire des composés tels que le glucose, qui seront libérées de manière thérapeutique au fil du temps.

"Nous pouvons utiliser des cellules bactériennes comme des ouvriers dans une usine 3D", explique Liu. "Ils peuvent être conçus pour produire des médicaments dans un échafaudage tridimensionnel et les applications ne doivent pas être limitées aux dispositifs épidermiques. Bien que la méthode et la méthode de fabrication soient viables, des applications telles que les implants et les ingrédients ingérables devraient être possibles."

Cette recherche a été financée en partie par le Naval Research Office, la National Science Foundation, les National Institutes of Health et le MIT Institute for Soldiers Nanotechnologies.