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来自麻省理工学院的工程师开发了一种3D打印技术，它使用由遗传编程的活细胞制成的新型油墨。
响应于各种刺激而设计，细胞被设计为亮起。当与水凝胶和营养素的浆料混合时，可以将细胞印刷，层逐层，形成三维，交互式结构和装置。
然后，该团队通过印刷“活纹身” - 一种薄，透明的贴片，与树的形状的活细菌细胞进行图案化。树的每个分支都衬有对不同化学或分子化合物敏感的细胞。当贴片粘附到已经暴露于相同化合物的皮肤上时，树的相应区域被响应地亮起。
由宣河赵领导的研究人员，MIT机械工程系中的诺斯职业发展教授，以及生物工程和电气工程和计算机科学副教授的蒂莫西·鲁，表示，它们的技术可用于制造“活跃”的材料可穿戴传感器和交互式显示器。这些材料可以用工程化的活细胞进行图案化，以感测环境化学品和污染物以及pH和温度的变化。
更重要的是，该团队开发了一种模型，以预测在给定的3D印刷结构内的细胞之间的相互作用，在各种条件下。该团队表示，研究人员可以使用该模型作为设计敏感生活材料的指南。
赵，陆及其同事们今天发表了他们的成绩，在杂志的先进材料中。本文的共同作者是研究生刘，刘虎育，绍京林，德国Alberto Parada，Tzu-Chieh Tang，EléonoreTham和Postdoc Cesar de la Fuente-Nunez。
一个耐寒的替代品
近年来，科学家们探索了各种敏感材料作为3D印刷油墨的基础。例如，科学家们使用了由温度敏感聚合物制成的油墨来打印热响应形状移位物体。其他人已经从响应光缩小和伸展的聚合物中打印了光激活的结构。
赵的团队，与Lu的实验室的生物工程师一起工作，意识到活细胞也可以作为3D印刷油墨的反应材料，特别是因为它们可以转基地设计以应对各种刺激。研究人员不是第一个考虑3D印刷的基因工程细胞;其他人试图使用活哺乳动物细胞，但成功很少。
“它在印刷过程中澄起了那些细胞，因为哺乳动物细胞基本上是脂质双层气球，”尤克说。“他们太弱了，他们很容易破裂。”
相反，该团队鉴定了细菌中较硬的细胞类型。细菌细胞具有坚韧的电池壁，其能够在相对苛刻的条件下存活，例如施加到墨水的力，因为它被推过打印机的喷嘴。此外，与哺乳动物细胞不同，细菌与大多数水凝胶 - 凝胶状材料相容，这些材料由主要是水和一点聚合物的混合物制成。该组发现水凝胶可以提供可以支持活细菌的水性环境。
研究人员进行了筛选试验，以鉴定最佳宿主细胞的水凝胶类型。在广泛的搜索之后，发现具有Pluronic酸的水凝胶是最相容的材料。水凝胶还表现出3D印刷的理想一致性。
“这种水凝胶具有通过喷嘴印刷的理想流动特性，”赵说。“这就像挤出牙膏。你需要[墨水]将喷嘴流出，如牙膏，它可以在印刷后保持其形状。“
从纹身到生活电脑
Lu为团队提供了响应各种化学刺激而设计的细菌细胞。然后，研究人员使用细菌，水凝胶和营养成分的组合来升温为其3-D墨水，以维持细胞并保持其功能。
“我们发现这个新的油墨配方效果非常好，每项功能的高分辨率都可以打印约30微米，”赵说。“这意味着我们印刷的每一行仅包含几个单元格。我们还可以打印相对大规模的结构，测量几厘米。“
它们使用自定义3D打印机打印了墨水，它们使用标准元素建造的与它们本身加工的夹具相结合。为了展示该技术，该团队在弹性体层上印刷了具有树木形状的细胞的水凝胶。在印刷后，通过将其暴露于紫外线辐射来凝固或固化贴剂。然后，它们用它的活面膜粘附透明弹性体层，对皮肤。
为了测试补丁，研究人员将几种化合物涂在测试对象的手背上，然后在暴露的皮肤上压制水凝胶贴剂。在几个小时内，当细菌感知它们相应的化学刺激时，斑块的树的分支亮起。
研究人员还设计了细菌互相沟通;例如，它们仅在从另一个小区接收某个信号时，仅编程一些单元格。为了在3D结构中测试这种类型的通信，它们用“输入”或发信号产生的细菌和化学物质印刷一块薄薄的水凝胶长丝，覆盖着“输出”或信号接收细菌的另一层细丝。他们发现输出丝仅在与相应细菌的重叠和接收输入信号重叠和接收到的输入信号时才会亮起。
Yuk在未来说，研究人员可以使用团队的技术打印“活计” - 具有多种类型的单元，彼此通信，通过微芯片上的晶体管相同传递信号。
“这是一个非常未来的工作，但我们希望能够打印可能是可穿戴的生活计算平台，”尤克说。
对于更多近期应用，研究人员旨在制造定制的传感器，以柔性贴片和贴纸的形式，可以被设计成检测各种化学和分子化合物。它们还设想其技术可用于制造药物胶囊和外科植入物，含有工程化的细胞，例如葡萄糖的细胞，以随着时间的推移释放治疗。
“我们可以使用3D工厂的工人等细菌细胞，”刘说。“他们可以设计成在3D支架内生产药物，并且应用不应限制表皮器件。只要制造方法和方法是可行的，应该可能是植入物和植入物的应用。“
该研究部分得到了海军研究，国家理学基金会，国家卫生研究院和士兵纳米技术研究所的职位。
出版物：UE Liu，等，“生活响应材料和设备的3D印刷”，高级材料，2017; DOI：10.1002 / ADMA.201704821
