Lebende Tattoos mit genetisch modifizierten Bakterien: Neuer Bio-Druck-Durchbruch

• Forscher erstellen ein zellsensitives, dünnes Tattoo, das leuchtet, wenn es mit Hautzellen in Kontakt kommt.
• Die Tattoo-Tinte besteht aus Hydrogel und Nährstoffgemisch, um die Zellen am Leben zu erhalten.
• Die Tinte kann mit hoher Auflösung gedruckt werden – ca. 30 Mikrometer.
• Ein 3D-gedrucktes lebendes Tattoo verfügt über 3 verschiedene Sensoren, die Kompression, Dehnung und Verdrehung standhalten.

Forscher am MIT haben eine neue Methode gefunden, um eine spezielle Tinte aus genetisch programmierten lebenden Zellen zu nutzen. Sie entwickelten ein temporäres Tattoo, dessen Prototyp wie ein dünner, transparenter, selbstklebender Patch mit einem Baum-Muster aussieht.

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

Das geschieht, weil die Zellen so designt sind, dass sie auf verschiedene Reize hin leuchten. Kombiniert mit einem Nährstoff-Schlamm und Wasserstoff können die Zellen Schicht für Schicht gedruckt werden, um eine 3D-interaktive Struktur zu bilden.

Frühere Studien im gleichen Bereich

Stimuliresponsive Materialien sind nicht neu – Forschung und Entwicklung laufen seit über einem Jahrzehnt. Ein Material, das gut auf Chemikalien reagiert, kann als Chemosensor dienen; ein Material, das auf hohe Temperaturen reagiert, kann für selbstassemblierende Roboter genutzt werden.

Da 3D-Druck jetzt weit zugänglich und deutlich günstiger ist, ist er zur gängigen Methode für die Entwicklung experimenteller Objekte geworden, einschließlich stimuliresponsiver Materialien.

Bisher zeigte sich jedoch, dass zumindest Säugetierzellen dafür nicht geeignet sind. Sie überstehen die harten Bedingungen des 3D-Drucks nicht – UV-Bestrahlung während der Vernetzung, Scherkräfte beim Extrudieren u. v. m. Da Säugetierzellen Lipid-Doppelschicht-Bläschen sind, sterben sie während des Druckprozesses.

Bakterienzellen mit schützender Zellwand sind deutlich robuster. Sie sind mit den meisten Hydrogelen kompatibel – Materialien aus Polymer und Wasser, die in vielen medizinischen Anwendungen genutzt werden.

Die neue lebende, responsive Tinte

MIT-Forscher nutzen eine neue Technik zur Herstellung „aktiver“ Materialien für interaktive Displays und tragbare Sensoren. Diese Materialien könnten mit lebenden Zellen kombiniert werden, um Umweltchemikalien und Schadstoffe sowie geringfügige Temperatur- und pH-Änderungen zu detektieren.

Mithilfe genetisch programmierter Bakterienzellen entwickelte das Team eine Tinte aus Hydrogel und Nährstoffgemisch, um die Zellen am Leben zu erhalten.

Konkret konstruierten sie eine Reihe von Bakterienzellen, die grünes fluoreszierendes Protein (GFP) erzeugen oder Chemikalien sezernieren als Reaktion auf vier verschiedene Signalchemikalien, die frei im Hydrogel diffundieren. Bio-Tinte mit reinen Pluronic-F127-Diacrylat-Mizellen kehrt nach dem Druck in einen Packungszustand zurück, der durch UV-Vernetzung stabilisiert wird.

Referenz: Advanced Materials | 10.1002/adma.201704821 | Via MIT News

Sie entwickelten auch ein Modell zur Vorhersage der Interaktionen zwischen Zellen innerhalb einer 3D-gedruckten Struktur unter verschiedenen Bedingungen. Dieses Modell kann anderen Wissenschaftlern als Leitfaden für die Erstellung responsiver lebender Materialien dienen.

Die entwickelte Tinte kann mit hoher Auflösung gedruckt werden – ca. 0,03 mm oder 30 Mikrometer. Selbst pyramidenartige Verbindungen von Analyt und Sensor sind leicht realisierbar. Multi-Tinten-3D-Druck ermöglicht den Aufbau mehrerer Logikgatter mit GFP-Fluoreszenz als Output. Sie druckten bereits Testmuster auf Elastomer und klebten sie auf Haut, die mit Chemikalien bestrichen war.

Räumlich-zeitlich kontrollierte Musterung wird durch die gut definierte räumliche Verteilung des Hydrogels, die zeitabhängige Diffusion der Signalmoleküle und die GFP-Produktion erreicht.

Das Gel, das aus Bakterien besteht, die auf N-Acyl-Homoserinlacton reagieren, kann in komplexe Muster gedruckt werden. Der Kontakt mit N-Acyl-Homoserinlacton-haltigem Gel induziert die GFP-Produktion der Bakterien, die sich über den gesamten Sensor verteilt.

Ein mit dieser Methodik entwickeltes 3D-gedrucktes lebendes Tattoo verfügt über 3 verschiedene Sensoren, die Kompression, Dehnung und Verdrehung standhalten. Die Applikation von Analyten verursacht präzise lokale Reaktionen nur im jeweiligen Sensorbereich.

Über mehrere Stunden leuchteten verschiedene Abschnitte des Baum-Musters im Tattoo auf, als die Bakterien direkten Kontakt mit ihren chemischen Reizen hatten. Bakterienzellen können auch miteinander kommunizieren und nach Erhalt eines spezifischen Signals von einer anderen Zelle fluoreszieren.

Forscher testeten es in einer 3D-Struktur, indem sie zwei Hydrogel-Filament-Blätter übereinander legten. Sie leuchteten auf, als sie in Kontakt kamen und das spezifische Kommunikationssignal erhielten.

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Was kommt als Nächstes?

In naher Zukunft erwarten die Forscher, lebende, tragbare Rechenplattformen und Strukturen mit verschiedenen Zelltypen drucken zu können, die Signale hin und her übergeben – ähnlich wie Transistoren auf einem Mikrochip.

Sie arbeiten an der Entwicklung von Drug-Delivery-Systemen und Chemosensoren, die programmiert werden können, um Medikamente über Zeit im Körper freizusetzen.