Lebende Tattoos mit gentechnisch veränderten Bakterien:Eine neue Innovation im Biodruck

• Forscher kreieren ein zellempfindliches, dünnes Tattoo, das leuchtet, wenn es mit den Hautzellen in Kontakt kommt. 
• Die Tätowierfarbe besteht aus Hydrogel und einer Nährstoffmischung, um die Zellen am Leben zu halten.
• Die Tinte kann mit einer hohen Auflösung gedruckt werden – etwa 30 Mikrometer.
• Ein 3D-gedrucktes lebendes Tattoo verfügt über 3 verschiedene Sensoren, die Druck, Dehnung und Drehung aushalten können.

Forscher am MIT haben eine neue Methode gefunden, eine spezielle Art von Tinte aus genetisch programmierten lebenden Zellen zu verwenden. Sie haben ein temporäres Tattoo entwickelt, dessen Prototyp wie ein dünnes, transparentes, aufklebbares Pflaster mit einem baumförmigen Muster aussieht.

Es ist in mehrere Abschnitte unterteilt, die zellempfindlich auf eine unterschiedliche chemische Verbindung reagieren. Wenn dieses Tattoo mit der Haut in Kontakt kommt, wird es einer bestimmten Verbindung (die in der menschlichen Haut vorhanden ist) ausgesetzt, wodurch entsprechende Bereiche des Baums als Reaktion aufleuchten.

Dies liegt daran, dass Zellen so konzipiert sind, dass sie als Reaktion auf verschiedene Arten von Reizen aufleuchten. In Kombination mit einer Aufschlämmung aus Nährstoffen und Wasserstoff könnten die Zellen Schicht für Schicht gedruckt werden, um eine interaktive 3D-Struktur zu bilden.

Frühere Studien im gleichen Bereich

Stimuli-responsives Material ist nichts Neues – Forschung und Entwicklung werden seit mehr als einem Jahrzehnt betrieben. Beispielsweise kann ein Material, das gut auf Chemikalien reagiert, zur Herstellung eines chemischen Sensors verwendet werden, oder ein Material, das auf hohe Temperaturen reagiert, kann zur Entwicklung selbstorganisierender Roboter verwendet werden

Da der 3D-Druck mittlerweile allgemein zugänglich und zu viel günstigeren Preisen erhältlich ist, hat er sich zu einer gängigen Methode zur Entwicklung experimenteller Objekte, einschließlich reizempfindlicher Materialien, entwickelt.

Diesmal erkannten die Forscher jedoch eine Möglichkeit, lebende Zellen zu verwenden, die programmiert und in einem 3D-gedruckten reaktiven Material erhalten werden können. Bisherige Untersuchungen deuten darauf hin, dass zumindest Säugetierzellen hierfür nicht in Frage kommen. Sie können unter den rauen Bedingungen des 3D-Drucks nicht funktionieren – ultraviolette Strahlung während der Vernetzung, Scherkräfte während der Extrusion und vieles mehr. Da es sich bei den Säugetierzellen um Lipiddoppelschichtballons handelt, sterben die Zellen während des Druckvorgangs ab.

Dagegen sind Bakterienzellen mit einer schützenden Zellwand deutlich stärker. Sie sind mit den meisten Hydrogelen kompatibel – Materialien aus Polymer und Wasser, die in einer Vielzahl medizinischer Anwendungen eingesetzt werden.

Die neue Living Responsive-Tinte

MIT-Forscher nutzen eine neue Technik, um „aktives“ Material für interaktive Displays und tragbare Sensoren herzustellen. Tatsächlich könnten diese Materialien mit lebenden Zellen kombiniert werden, um Umweltchemikalien und Schadstoffe sowie geringfügige Änderungen der Temperatur und des pH-Werts zu erfassen.

Mithilfe genetisch programmierter Bakterienzellen baute das Team eine Tinte aus Hydrogel und einer Nährstoffmischung, um die Zellen am Leben zu halten.

Genauer gesagt haben sie eine Reihe von Bakterienzellen entwickelt, die grün fluoreszierendes Protein (GFP) erzeugen oder als Reaktion auf vier verschiedene Signalchemikalien, die frei im Hydrogel diffundieren, Chemikalien absondern können. Bio-Tinte, die reine Pluronic-F127-Diacrylat-Mizellen enthält, nimmt nach dem Drucken wieder einen gepackten Zustand an, der durch UV-Vernetzung stabilisiert wird.

Referenz: Erweiterte Materialien | 10.1002/adma.201704821 | Über MIT News 

Sie haben außerdem ein Modell entwickelt, um die Wechselwirkungen zwischen Zellen innerhalb einer 3D-gedruckten Struktur unter verschiedenen Bedingungen vorherzusagen. Dieses Modell könnte von anderen Wissenschaftlern als Leitfaden für die Schaffung reaktionsfähiger lebender Materialien verwendet werden.

Die von ihnen entwickelte Tinte kann mit einer hohen Auflösung gedruckt werden – etwa 0,03 Millimeter oder 30 Mikrometer. Auch pyramidenartige Verbindungen von Analyt und Sensor sind problemlos realisierbar. Der Mehrfarben-3D-Druck ermöglicht die Konstruktion mehrerer Logikgatter mit GFP-Fluoreszenz als Ausgabe. Sie haben das Testmuster bereits auf Elastomer gedruckt und auf die mit Chemikalien beschmierte Haut geklebt.

Eine räumlich-zeitlich kontrollierte Strukturierung wird aufgrund der genau definierten räumlichen Verteilung des Hydrogels, der Zeitabhängigkeit der Signalmoleküldiffusion und der GFP-Produktion erreicht.

Das Gel, das aus Bakterien besteht, die auf N-Acylhomoserinlacton reagieren, kann in komplizierten Mustern gedruckt werden. Die Verbindung mit einem N-Acylhomoserinlacton enthaltenden Gel induziert die GFP-Produktion der Bakterien, die sich über Nacht im gesamten Sensor verteilen.  

Ein mit dieser Methode entwickeltes 3D-gedrucktes lebendes Tattoo verfügt über drei verschiedene Sensoren, die Druck, Dehnung und Verdrehung aushalten können. Die Anwendung von Analyten führt nur im jeweiligen Sensorbereich zu präzisen lokalen Reaktionen.  

Einige Stunden lang leuchteten verschiedene Abschnitte des Baummusters im Tattoo auf, als die Bakterien in direkten Kontakt mit ihren chemischen Reizen kamen. Bakterienzellen können auch miteinander kommunizieren und fluoreszieren, nachdem sie ein spezifisches Signal von einer anderen Zelle erhalten haben.

Forscher haben es in einer 3D-Struktur getestet, indem sie zwei mit Hydrogelfilamenten bedruckte Blätter übereinander legten. Sie leuchteten auf, wenn sie miteinander in Kontakt kamen und das spezifische Kommunikationssignal erhielten.

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Was kommt als nächstes?

In naher Zukunft gehen Forscher davon aus, lebende, tragbare Rechenplattformen und Strukturen mit mehreren verschiedenen Arten von Zellen drucken zu können, die Signale hin und her übertragen können, ähnlich wie Transistoren auf einem Mikrochip.

Sie arbeiten an der Entwicklung von Medikamentenverabreichungssystemen und chemischen Sensoren, die so programmiert werden können, dass sie Medikamente im Laufe der Zeit in den Körper abgeben.