Ink containing engineered bacteria forms “living tattoo” for environmental sensing / L'inchiostro contenente batteri ingegnerizzati forma un "tatuaggio vivente" per il rilevamento ambientale
Diverse aree del progetto ad albero del gruppo del MIT si accendono se la pelle è stata esposta alla sostanza appropriata
MIT-developed ink can be printed into 3D structures that light up in the presence of predetermined stimuli.
The MIT team specialises in developing technologies based on responsive materials, gels and polymers, and has developed a variety of inks for 3D printing. They realised that genetically-engineered cells could form the responsive component of a hydrogel-based ink, but took a different route to realising this than previous researchers who have tried to use engineered mammalian cells.
“It turns out those cells were dying during the printing process, because mammalian cells are basically lipid bilayer balloons,” explained Hyunwoo Yuk, co-author of a paper on the research in Advanced Materials. “They are too weak, and they easily rupture.”
Rather than mammalian cells, the team decided to use bacteria, which have thicker cell walls, capable of surviving being squeezed through a printer nozzle, and are more compatible with hydrogels.
Researchers from MIT’s mechanical engineering department, led by Prof Xuanhe Zhao, worked with bioengineers led by Timothy Lu, to determine the best hydrogel and nutrients to support bacteria engineered by Lu’s team. To light up in the presence of certain chemicals Zhao’s engineers customised a 3D printer to work with an ink based on a hydrogel containing pluronic acid.
“This hydrogel has ideal flow characteristics for printing through a nozzle,” Zhao said. “It’s like squeezing out toothpaste. You need [the ink] to flow out of a nozzle like toothpaste, and it can maintain its shape after it’s printed.”
The team used the ink to print a 3D layered structure onto a transparent elastomer patch. To illustrate the technique, they call this structure a “living tattoo” even though it is not printed into living skin and is therefore not in fact a tattoo.
“We found this new ink formula works very well and can print at a high resolution of about 30 micrometres per feature,” Zhao said. “That means each line we print contains only a few cells. We can also print relatively large-scale structures, measuring several centimetres.” The tattoo design was a tree whose branches were printed with cells sensitive to different substances. If the skin onto which the patch was stuck had been exposed to these substances, the corresponding branches lit up.
The team also engineered bacteria to communicate with each other; some were induced to light up only when they received a certain chemical signal from another cell. To test this, they printed one patch with filaments containing signal-producing bacteria, another with signal-receiving bacteria, and overlaid the latter on the former. The receiving bacteria only lit up when they overlapped and receive “input” from the signalling bacteria in the lower layer.
Near-term applications of this technology include flexible patches and stickers that will be able to detect environmental stimuli such as pollutants, changes in pH and temperature, all of which can be engineered into the bacteria. The ink could also be used in drug capsules and surgical devices, which would release therapeutic substances over time; this application could also use cells which have been engineered to produce the therapeutic substances, said fellow team member Xinyue Liu.
“We can use bacterial cells like workers in a 3D factory. They can be engineered to produce drugs within a 3D scaffold, and applications should not be confined to epidermal devices. As long as the fabrication method and approach are viable, applications such as implants and ingestibles should be possible.”
Future applications see the technique used to construct “living computers”, Yuk said. These could contain multiple cells communicating with each other and passing signals back and forth like transistors in a microchip. “This is very future work, but we expect to be able to print living computational platforms that could be wearable,” he said.
ITALIANO
L'inchiostro sviluppato dal MIT può essere stampato in strutture 3D che si illuminano in presenza di stimoli predeterminati.
Il gruppo del MIT è specializzato nello sviluppo di tecnologie basate su materiali reattivi, gel e polimeri e ha sviluppato una varietà di inchiostri per la stampa 3D. Si sono resi conto che le cellule geneticamente ingegnerizzate potrebbero formare la componente reattiva di un inchiostro a base di idrogel, ma hanno preso una strada diversa per rendersene conto rispetto ai precedenti ricercatori che hanno provato a utilizzare cellule di mammifero ingegnerizzate.
"Si scopre che quelle cellule stavano morendo durante il processo di stampa, perché le cellule di mammifero sono fondamentalmente palloncini a doppio strato lipidico", ha spiegato Hyunwoo Yuk, coautore di un articolo sulla ricerca in materiali avanzati. "Sono troppo deboli e si rompono facilmente".
Piuttosto che cellule di mammifero, il team ha deciso di utilizzare i batteri, che hanno pareti cellulari più spesse, in grado di sopravvivere quando sono spremute attraverso un ugello della stampante, e sono più compatibili con gli idrogel.
I ricercatori del dipartimento di ingegneria meccanica del MIT, guidati dal prof. Xuanhe Zhao, hanno lavorato con bioingegneri guidati da Timothy Lu, per determinare il miglior idrogel e nutrienti per supportare i batteri progettati dal gruppo di Lu. Per accendersi in presenza di determinati prodotti chimici, gli ingegneri di Zhao hanno personalizzato una stampante 3D per lavorare con un inchiostro a base di acido idrogel contenente acido ialuronico.
"Questo idrogel ha caratteristiche di flusso ideali per la stampa attraverso un ugello", ha detto Zhao. "È come spremere il dentifricio. Hai bisogno [dell'inchiostro] che esca da un ugello come un dentifricio e può mantenere la sua forma dopo che è stato stampato. "
Il gruppo ha utilizzato l'inchiostro per stampare una struttura stratificata 3D su un cerotto trasparente in elastomero. Per illustrare la tecnica, chiamano questa struttura un "tatuaggio vivente" anche se non è stampata sulla pelle vivente e quindi non è in realtà un tatuaggio.
"Abbiamo trovato che questa nuova formula di inchiostro funziona molto bene e può stampare ad una risoluzione elevata di circa 30 micrometri per caratteristica", ha detto Zhao. "Ciò significa che ogni linea stampata contiene solo poche cellule. Possiamo anche stampare strutture relativamente grandi, che misurano diversi centimetri. "Il disegno del tatuaggio era un albero i cui rami erano stampati con cellule sensibili a sostanze diverse. Se la pelle su cui era stato incollato il cerotto era stata esposta a queste sostanze, i rami corrispondenti si accendevano.
Il gruppo ha anche progettato i batteri per comunicare tra loro; alcuni sono stati indotti ad accendersi solo quando hanno ricevuto un segnale chimico da un'altra cellula. Per testare questo, hanno stampato un cerotto con filamenti contenenti batteri produttori di segnali, un'altra con batteri riceventi il segnale e sovrapposti a quest'ultima sulla prima. I batteri riceventi si accendono solo quando si sovrappongono e ricevono "input" dai batteri di segnalazione nello strato inferiore.
Le applicazioni a breve termine di questa tecnologia includono cerotti ed adesivi flessibili che saranno in grado di rilevare stimoli ambientali quali inquinanti, variazioni di pH e temperatura, che possono essere tutti ingegnerizzati nei batteri. L'inchiostro potrebbe anche essere utilizzato in capsule di farmaci e dispositivi chirurgici, che rilascerebbero sostanze terapeutiche nel tempo; questa applicazione potrebbe anche utilizzare cellule che sono state progettate per produrre le sostanze terapeutiche, ha detto il membro del gruppo Xinyue Liu.
"Possiamo usare cellule batteriche come i lavoratori in una fabbrica 3D. Possono essere progettati per produrre farmaci all'interno di un'impalcatura 3D e le applicazioni non devono essere limitate ai dispositivi epidermici. Finché il metodo e l'approccio alla fabbricazione sono fattibili, dovrebbero essere possibili applicazioni come impianti e ingestione. "
Le applicazioni future vedono la tecnica usata per costruire "computer viventi", ha detto Yuk. Questi potrebbero contenere più cellule che comunicano tra loro e segnali di passaggio avanti e indietro come transistor in un microchip. "Questo è un lavoro molto futuro, ma ci aspettiamo di essere in grado di stampare piattaforme computazionali viventi che possano essere indossabili", ha affermato.
Da:
https://www.theengineer.co.uk/ink-bacteria-tattoo/?cmpid=tenews_4410963&adg=B69ABBDE-DA23-4BA2-B8C3-86E1E1A9FA79
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