Станут ли бактерии, напечатанные на 3d принтере, электроникой будущего?

«Носимая техника» — так называются «умные» электронные устройства, которые можно носить на себе, или имплантировать в тело. Предлагая заманчивые перспективы для разработчиков инновационной техники в спорте, здравоохранении, моде и развлечениях, 3d печать открывает новые возможности для носимой техники, такой как вторая электронная кожа и «умные» ткани.

В проведенном недавно исследовании, группа ученых из Массачусетского технологического института (МТИ) разработала «живые» биологические чернила для 3d принтера, которые не только «умные», но и способны полностью изменить наше представление об этой технологии. Используя естественные реакции бактерий, устройства, изготовленные с применением таких чернил, представляют собой основные строительные блоки носимой техники, не использующей электричество.

Эти биочернила для 3d печати созданы той же самой группой МТИ, которая недавно предложила мягкие роботизированные перчатки для ловли рыбы. Новые чернила увеличивают обширный портфель «умных» материалов, разрабатываемых в МТИ.

3d печать и программирование генно-инженерных бактерий

Данное исследование материалов в МТИ проводилось под руководством профессора  Ксуан Жхао (Xuanhe Zhao) и д-ра Тимоти Лу (Timothy Lu) из лаборатории мягких активных материалов. В качестве подтверждения концепции группа ученых продемонстрировала, как можно генетически изменить бактерии в биочернилах для 3d принтера, чтобы они светились при получении определенного химического сигнала.

Вначале приготавливаются чернила, ингредиенты которых делают их идеальной микросредой для живой материи. К гидрогельной основе ученые добавили фотосенсибилизатор, обеспечивающий схватывание материала, а также гранулы бактериальных клеток, питательные вещества и деионизированную воду.

При приготовлении чернил было очень важно выбрать подходящие бактерии, поскольку предыдущие попытки, в которых использовались другие клетки, оказались неудачными. «Оказалось, что эти клетки умирали во время процесса печати, потому что клетки млекопитающих, в основном, представляют собой двухслойные липидные пузыри, — поясняет Хиунву Юк (Hyunwoo Yuk), один из соавторов исследования. — Они слишком слабые и легко разрушаются».

Клетки бактерий были выбраны потому, что защищающие их стенки способны выдержать давление в процессе 3d печати и жить в водной среде гидрогелей. Бактерии были генетически изменены, что позволило им вырабатывать зеленые флуоресцентные белки (GFP), либо в нормальном состоянии, либо при активации определенным химическим сигналом.

3d печать сложных живых структур при помощи живых чернил

В качестве первого примера ученые напечатали на 3d принтере сложные, видимые невооруженным глазом структуры (размером 3 см) с микроскопической точностью (30 мкм).

Сюда входили квадрат, сплошная пирамида, пирамида с пустотами и купол. Эти сложные конструкции были разработаны с использованием программ SOLIDWORKS и CADfusion, затем нарезаны на слои и напечатаны при комнатной температуре при помощи трехосевой технологии роботизированного нанесения Aerotech.

Гидрогельные чернила подавались из непроницаемого для ультрафиолетового света цилиндра шприца емкостью 5 мл через форсунки диаметром от 30 до 250 мкм.

Первоначально чернила наносились 3d принтером на перекрестную матрицу. Такая конструкция была необходима для обеспечения жизнеспособности и чувствительности клеток в живой сети. Затем создавалось химическое перекрестное соединения путем облучения гидрогеля, полученного в результате 3d печати, ультрафиолетовым светом. После этого гидрогельные чернила с образованными поперечными связями помещались во влажные условия.

Для демонстрации того, как различные сигнальные химические соединения могут активировать выработку GFP в разных участках полученной формы, ученые напечатали на 3d принтере пирамиду с использованием двух разных штаммов бактерий.

При воздействии определенным химическим сигналом, верхний элемент и основание пирамиды окрашивались во флуоресцентный зеленый цвет, в то время как боковые ее стороны оставались красными.

3d печать живых татуировок

Вторым примером стало использование трех разных гидрогельных чернил, с применением различных штаммов бактерий. Здесь 3d печать использовалась для создания «живой татуировки», отражающей присутствие на коже определенных химических сигналов.

Татуировка печаталась клетками живых бактерий, и представляла собой древовидный рисунок на тонком слое эластомера. Затем она наклеивалась на кожу человека.

Три ветви дерева были напечатаны на 3d принтере разными штаммами живых бактерий, реагирующими на разные сигнальные химические соединения. В течение нескольких часов ветви деревьев начинали светиться, когда бактерии реагировали на соответствующий химический раздражитель на коже.

Возможные компьютерные применения 3d печати гидрогельных чернил

Третьей возможностью применения гидрогельных чернил в 3d печати являются вычислительные операции. Вместо взаимодействия электронных компонентов в компьютерном чипе, можно запрограммировать взаимодействие клеток и химических соединений, создав логические вентили для выполнения булевских операций.

Линии чернил располагаются таким образом, что вместо электронного ввода, значению 0 или 1 соответствует отсутствие или присутствие активных компонентов. Точно также отсутствие или присутствие вырабатываемых GFP соответствует значению 0 или 1 на выводе. Таким способом можно программировать материал.

«Каждая клетка в структуре выполняет простую вычислительную операцию, —  поясняет Лу — Однако при пространственном объединении их в трехмерные структуры, взаимодействие между различными типами клеток и химическими соединениям в разных участках может породить информативные схемы и обеспечить сложные логические вычисления».

От умной механики к умной биологии

Помимо применения в создании логических вентилей и химических детекторов, 3d печать с использованием живых биочернил имеет и медицинское применение.

«Мы можем использовать бактериальные клетки в качестве рабочих на 3d фабрике, — говорит Лу. — Их можно подвергнуть генной инженерии, чтобы они вырабатывали лекарства внутри 3d платформ, и их применение не ограничивается только устройствами, помещаемыми на кожу. До тех пор пока метод создания чернил, и используемый подход сохраняют жизнеспособность бактерий, возможны такие применения, как имплантаты и продукты питания«.