Udskrivning af genstande, der kan inkorporere levende organismer

En metode til at printe 3D-objekter, der kan kontrollere levende organismer på forudsigelige måder, er udviklet af et tværfagligt team af forskere ved MIT og andre steder. Teknikken kan føre til 3-D print af biomedicinske værktøjer, såsom tilpassede seler, der inkorporerer levende celler for at producere terapeutiske forbindelser såsom smertestillende midler eller topiske behandlinger, siger forskerne.

Den nye udvikling blev ledet af MIT Media Lab lektor Neri Oxman og kandidatstuderende Rachel Soo Hoo Smith, Christoph Bader, og Sunanda Sharma, sammen med seks andre ved MIT og på Harvard Universitys Wyss Institute og Dana-Farber Cancer Institute. Systemet er beskrevet i en artikel, der for nylig er offentliggjort i tidsskriftet Avancerede funktionelle materialer .

"Vi kalder dem hybrid levende materialer, eller HLM'er, " siger Smith. Til deres indledende proof-of-concept eksperimenter, holdet inkorporerede præcist forskellige kemikalier i 3-D printprocessen. Disse kemikalier fungerer som signaler til at aktivere visse reaktioner i biologisk konstruerede mikrober, som sprøjtes på den trykte genstand. Når først tilføjet, mikroberne viser specifikke farver eller fluorescens som reaktion på de kemiske signaler.

I deres undersøgelse, holdet beskriver udseendet af disse farvede mønstre i en række trykte genstande, som de siger demonstrerer den vellykkede inkorporering af de levende celler i overfladen af ​​det 3-D-printede materiale, og cellernes aktivering som reaktion på de selektivt placerede kemikalier.

Målet er at lave et robust designværktøj til fremstilling af objekter og enheder, der inkorporerer levende biologiske elementer, lavet på en måde, der er lige så forudsigelig og skalerbar som andre industrielle fremstillingsprocesser.

Holdet bruger en flertrinsproces til at producere deres hybride levende materialer. Først, de bruger en kommercielt tilgængelig multimateriale inkjet-baseret 3-D printer, og skræddersyede opskrifter til kombinationer af harpiks og kemiske signaler, der bruges til udskrivning. For eksempel, de fandt ud af, at en type harpiks, bruges normalt kun til at fremstille en midlertidig støtte til overhængende dele af en trykt struktur og derefter opløses væk efter udskrivning, kunne give nyttige resultater ved at blive blandet med strukturharpiksmaterialet. De dele af strukturen, der inkorporerer dette støttemateriale, bliver absorberende og er i stand til at fastholde de kemiske signaler, der styrer de levende organismers adfærd.

Endelig, det levende lag tilføjes:en overfladebelægning af hydrogel - et gelatinøst materiale, der hovedsageligt består af vand, men som giver en stabil og holdbar gitterstruktur - infunderes med biologisk konstruerede bakterier og sprøjtes på genstanden.

"Vi kan definere meget specifikke former og fordelinger af de hybride levende materialer og de biosyntetiserede produkter, uanset om de er farver eller terapeutiske midler, inden for de trykte former, " siger Smith. Nogle af disse indledende testformer blev lavet som skiver i sølv-dollarstørrelse, og andre i form af farverige ansigtsmasker, med farverne fra de levende bakterier i deres struktur. Farverne tager flere timer at udvikle sig, efterhånden som bakterierne vokser, og forbliver derefter stabile, når de er på plads.

"Der er spændende praktiske anvendelser med denne tilgang, da designere nu er i stand til at kontrollere og mønstre væksten af ​​levende systemer gennem en beregningsalgoritme, " siger Oxman. "Ved at kombinere computerdesign, additiv fremstilling, og syntetisk biologi, HLM-platformen peger mod den vidtrækkende effekt, disse teknologier kan have på tværs af tilsyneladende forskellige områder, 'oplivende' design og objektrummet. "

Udskrivningsplatformen, som teamet brugte, gør det muligt at variere det trykte objekts materialeegenskaber præcist og kontinuerligt mellem forskellige dele af strukturen, med nogle sektioner stivere og andre mere fleksible, og nogle mere absorberende og andre væskeafvisende. Sådanne variationer kunne være nyttige i udformningen af ​​biomedicinske anordninger, der kan give styrke og støtte, samtidig med at de er bløde og bøjelige for at give komfort på steder, hvor de er i kontakt med kroppen.

Teamet omfattede specialister i biologi, bioingeniør, og datalogi for at komme med et system, der giver forudsigelig mønster af den biologiske adfærd på tværs af det trykte objekt, på trods af virkningerne af faktorer som diffusion af kemikalier gennem materialet. Gennem computermodellering af disse effekter, forskerne producerede software, som de siger tilbyder præcisionsniveauer, der kan sammenlignes med computerassisteret design (CAD)-systemer, der bruges til traditionelle 3-D-printsystemer.

Multiresin 3D-printplatform kan bruge alt fra tre til syv forskellige harpikser med forskellige egenskaber, blandet i alle proportioner. I kombination med syntetisk biologisk teknik, dette gør det muligt at designe objekter med biologiske overflader, der kan programmeres til at reagere på bestemte måder på bestemte stimuli såsom lys eller temperatur eller kemiske signaler, på måder, der er reproducerbare og alligevel helt tilpasselige, og som kan produceres på forespørgsel, siger forskerne.

"I fremtiden, pigmenterne i maskerne kan erstattes med nyttige kemiske stoffer til menneskelig forstørrelse såsom vitaminer, antistoffer eller antimikrobielle lægemidler, " siger Oxman. "Forestil dig, for eksempel, en bærbar grænseflade designet til at guide ad hoc-antibiotikadannelsen tilpasset til at passe til brugerens genetiske sammensætning. Eller, overveje smart emballage, der kan registrere forurening, eller miljøvenlige arkitektoniske skins, der kan reagere og tilpasse sig – i realtid – til miljømæssige signaler."

I deres tests, holdet brugte genetisk modificerede E. coli-bakterier, fordi disse vokser hurtigt og er meget brugt og studeret, men i princippet kunne andre organismer også bruges, siger forskerne.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.