Датчик из живой татуировки не за горами
За последние годы ученые пробовали для печати на 3D принтерах разные необычные чернила. Одни чернила были изготовлены из термочувствительных полимеров и нужны были для печати объектов, меняющих форму под влиянием тепла. Другие печатали светочувствительные полимерные структуры, которые сжимаются и растягиваются в ответ на потоки света. Специалисты из Массачусетского технологического института (MIT) сделали «живую» татуировку. Термин «татуировка» не совсем точен. Узор из бактерий не накалывается на кожу, а наклеивается с помощью сжиженного геля после послойной печати, и бактерии живут внутри напечатанных стенок узора пока есть пищевые ресурсы. Бактерии могут реагировать на внешние раздражители, меняя проницаемость, вибрируя или изменяя свой цвет (ниже даны более корректные специализированные термины) и тем самым сигнализируя владельцу о проблемах со здоровьем или окружающей средой или передавая информацию некоему устройству. В показанном примере «живой сенсор» использовал механизм флюоресценции (светился).
Команда исследования во главе с профессором Сюаньхэ Чжао и доцентом Тимоти Лу продемонстрировала журналистам свою технику, напечатав «живую татуировку» — тонкую прозрачную накладку (патч) в форме дерева. Каждая из 3 ветвей дерева была насыщена клетками, чувствительными к тому или иному химическому или молекулярному соединению. Затем прикрепили к прозрачному эластомерному слою и проверили действие патча на запястье добровольца. На кожу нанесли несколько химических соединений. Когда патч прикладывался к коже, которая была подвержена воздействию разных соединений, нужные области дерева загорались в ответ.
Сенсор работал несколько часов и в течение этого времени каждая из 3 «ветвей» сенсора освещалась, когда бактерии ощущали соответствующие химические раздражители. Изменение цвета было связано с запуском работы флюоресцирующих белков внутри бактериальных клеток.
Узор напечатали на базе стандартного трехмерного принтера, но в сочетании с приспособлениями которые сами дорабатывали. Для печати на 3D-принтере потребовалось генетически модифицировать стенки бактерий, доведя их до плотности, способной выдерживать давление струи из принтера при 3D-печати. Липидные клетки млекопитающих, используемые ранее в других исследованиях, просто лопались от напряжения при печати. Нужно было ещё повысить степень выживания самих бактерий. Исследователи провели скрининг-тест, чтобы определить тип гидрогеля, который лучше всего будет принимать бактериальные клетки. После обширного поиска сочли наилучшим сочетанием гидрогель с плюроновой кислотой как наиболее совместимый материал. После печати узор затвердел под ультрафиолетовым излучением и стал «умной» наклейкой-сенсором (патчей).
Исследователи также создали бактерии для общения друг с другом; например, они запрограммировали некоторые ячейки для освещения только тогда, когда они получают определенный сигнал из другой ячейки. Чтобы протестировать этот тип связи в трехмерной структуре, они напечатали тонкий лист гидрогелевых нитей с «входами» (генерирующими сигнал) бактериями и наложенными на них слоем нитей c «выходами» (принимающими сигнал) бактерии. Ученые обнаружили, что выходные волокна освещены только тогда, когда получают входные сигналы от соответствующих бактерий. В будущем человечество сможет использовать эту технику для работы «живых компьютеров» — структур с несколькими типами ячеек, которые общаются друг с другом, передавая сигналы назад и вперед, подобно транзисторам на микрочипе.
Это далекая перспектива, но авторы исследования рассчитывают когда-нибудь напечатать живые носимые компьютеры. В настоящее время применением станут индивидуальные датчики в виде гибких наклеек. В планах также создание хирургических имплантатов-фабрик, продуцирующие внутри человека полезные соединения, такие как глюкоза. «Мы можем использовать бактериальные клетки, как рабочих на встроенной в человека фабрике». Хуэйву Юк (Hyunwoo Yuk), принимавший участие в исследовании, считает, что в дальнейшем подобные живые сенсоры можно будет использовать для создания систем доставки лекарств нового поколения.
Ниже показан схематический рабочий процесс проектирования живого материала. Ответы живых материалов, включая химическую диффузию и индукцию клеток, заранее моделируются, чтобы обеспечить обратную связь для строительства требуемого датчика. Основной полоксамер, который задействованный в печати живых сенсоров — это Плюроник F127. Это блок-сополимер средней молекулярной массой 13 000 Да. В разбавленных растворах с концентрацией полимера выше критической концентрации плюроник спонтанно образует агрегаты (мицеллы) диаметром 30–50 нм с гидрофобным центральным ядром и гидрофильными остатками, направленными во внешнюю среду. В достаточно высокой концентрации мицеллы находятся в термодинамическом равновесии с неассоциированными молекулами. При разбавлении раствора мицеллы распадаются, а при увеличении концентрации поверхностно-активных веществ мицеллы вновь возникают.
Новая технология и новые модифицированные клетки позволили формировать крупные узоры (3 см) с высоким разрешением (30 мкм), где клетки могут связываться и обрабатывать сигналы по заданным алгоритмам. Для специалистов материалы выложены тут. Исследователи сформировали работоспособные по размерам и точности реакций (разрешению) структуры, но в этом направлении также предстоит совершенствоваться. Требуются более плотные узоры с большим количеством связей. Одна из главных задач — воспроизвести архитектуру компьютерного чипа. Генетически модифицированные бактерии будут разделены на десятки и сотни видов, с определенной реакцией на конкретные химические вещества. Это станет системой их управления — подавая нужные растворы в узлы трехмерной структуры, ученые смогут запустить запрограммированный заранее процесс.
