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Un tatuaggio vivente: la stampa 3D di cellule programmate in dispositivi

Scritto da Federico Fabrizi

Gli ingegneri del MIT hanno ideato una tecnica di stampa 3D che utilizza un nuovo tipo di inchiostro fatto da cellule viventi geneticamente programmate. Le cellule sono progettate per illuminarsi in risposta ad una diversa varietà di stimoli. Inoltre, quando sono miscelate con una sospensione di idrogel e sostanze nutritive, tali cellule possono essere stampate strato per strato per formare strutture e dispositivi 3D interattivi. Il team ha quindi dimostrato la propria tecnica stampando un “tatuaggio vivente”, costituito da un sottile e trasparente strato di cellule di batteri vivi a forma di albero.

Ogni ramo dell’albero è rivestito da cellule sensibili ad un composto chimico o molecolare diverso. Quando il tatuaggio ha aderito alla pelle, che è stata esposta agli stessi composti, le regioni corrispondenti dell’albero, in risposta, si accendono di un colore diverso.

I ricercatori del MIT, guidati da Xuanhe Zhao professore nel dipartimento di Ingegneria Meccanica  e Timothy Lu, professore associato di ingegneria biologica e di ingegneria elettrica ed informatica, affermano che la loro tecnica può essere utilizzata per fabbricare materiali “attivi” per sensori indossabili e display interattivi. Tali materiali possono essere modellati con cellule vive ingegnerizzate per rilevare le sostanze chimiche e inquinanti ambientali, nonché le variazioni di pH e  di temperatura.

Il team ha anche sviluppato un modello per prevedere le interazioni tra celle all’interno di una determinata struttura stampata in 3D, in diverse condizioni ed affermano che possono utilizzare tale modello come guida nella progettazione di materiali viventi reattivi.

Gli ultimi sviluppi

Negli ultimi anni, gli scienziati hanno esplorato diversi materiali reattivi come base per gli inchiostri per le stampanti 3D. Ad esempio, hanno utilizzato inchiostri realizzati con polimeri termosensibili per stampare oggetti che cambiano la loro forma attraverso il calore. Altri, hanno stampato strutture  foto-attivate da polimeri che si restringono e si allungano in risposta alla luce.

Il team di Zhao, che lavora con bioingegneri nel laboratorio del Prof. Lu, ha capito che le cellule vive potrebbero anche servire come materiali reattivi per gli inchiostri delle stampati in 3D, in particolare perché possono essere geneticamente modificati per rispondere ad una varietà di stimoli. I ricercatori non sono i primi a considerare la stampa 3D di cellule geneticamente ingegnerizzate; altri hanno tentato di farlo utilizzando cellule di mammiferi vivi, ma con scarso successo.

Abbiamo scoperto che le cellule di mammifero stavano morendo durante il processo di stampa, perché tali cellule sono fondamentalmente palloncini a doppio strato lipidico, sono troppo deboli e quindi si rompono facilmente – dice Yuk

Il team, invece ha identificato un tipo di cellula più resistente nei batteri. Queste cellule batteriche hanno pareti cellulari dure che sono in grado di sopravvivere in condizioni relativamente difficili, come le forze applicate all’inchiostro quando viene spinto attraverso l’ugello di una stampante.

Inoltre, i batteri, a differenza delle cellule dei mammiferi, sono compatibili con la maggior parte degli idrogel – materiali simili a gel che sono fatti da una miscela di acqua e del polimero. Il gruppo di ricerca, ha inoltre scoperto che gli idrogel possono fornire un ambiente acquoso in grado di supportare la vita dei batteri.

I ricercatori hanno anche effettuato un test di screening per identificare il tipo di idrogel che meglio ospiterà le cellule batteriche. Dopo una lunga ricerca, un idrogel con acido pluronico è risultato essere il materiale più compatibile. L’idrogel ha anche mostrato una consistenza ideale per la stampa 3D.

Questo idrogel ha caratteristiche di flusso ideali per la stampa attraverso un ugello, è come spremere il dentifricio – afferma Zhao. Inoltre, questo idrogel, può mantenere la sua forma dopo che è stato stampato

Il Prof. Lu ha fornito al team cellule batteriche progettate per illuminarsi in risposta a differenti stimoli chimici. I ricercatori hanno quindi trovato una “ricetta” per il loro inchiostro 3D, utilizzando una combinazione di batteri, idrogel e sostanze nutritive per dare sostentamento alle cellule e mantenere le loro funzionalità.

Abbiamo trovato che questa nuova formula di inchiostro funziona molto bene e può stampare ad una risoluzione massima di circa 30 micrometri – afferma Zhao. Ciò significa che ogni linea stampata contiene solo poche cellule. Possiamo anche stampare strutture relativamente grandi, che misurano diversi centimetri.

 

Hanno stampato l’inchiostro attraverso una stampante 3D personalizzata che hanno realizzato utilizzando elementi standard combinati con i dispositivi da loro stessi realizzati. Per dimostrare la tecnica, il team ha stampato un modello di idrogel con cellule a forma di albero su uno strato di elastomero. Dopo la stampa, hanno solidificato o indurito il cerotto esponendolo alle radiazioni ultraviolette.

I risultati

Per testare il cerotto, i ricercatori hanno spalmato diversi composti chimici sul retro della mano di un soggetto del test, quindi hanno premuto il cerotto di idrogel sulla pelle esposta. Per diverse ore, i rami dell’albero del cerotto si sono accesi quando i batteri hanno avvertito i corrispondenti stimoli chimici.

I batteri sono stati progettati per comunicare tra loro; per esempio hanno programmato alcune celleule per illuminarsi solo quando ricevono un determinato segnale da un’altra cella.

Per testare questo tipo di comunicazione in una struttura 3D, hanno stampato un sottile foglio di filamenti di idrogel con “input” o batteri e sostanze chimiche che producono segnali, sovrapposti ad un altro strato di filamenti di “uscita” o batteri che ricevono il segnale. Hanno scoperto che i filamenti di uscita si accendevano solo quando si sovrapponevano e ricevevano segnali di input dai batteri corrispondenti.

Yuk dice che in futuro i ricercatori potrebbero usare la tecnica del team per stampare “computer viventi”, cioè strutture con più tipi di cellule che comunicano tra loro, trasmettendo segnali avanti e indietro, proprio come i transistor su un microchip.

Questo è un lavoro molto futuro, ma ci aspettiamo di essere in grado di stampare piattaforme computazionali viventi che possano essere indossabili – dice Yuk. Per ulteriori applicazioni a breve termine, i ricercatori mirano a fabbricare sensori personalizzati, sotto forma di patch e adesivi flessibili che potrebbero essere progettati per rilevare una varietà di composti chimici e molecolari.

 

Immaginano anche che la loro tecnica possa essere utilizzata per fabbricare capsule di farmaci e impianti chirurgici, contenenti cellule prodotte come composti di glucosio, da rilasciare terapeuticamente nel tempo.

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Informazioni autore

Federico Fabrizi

Studente di 21 anni, iscritto alla facoltà di Ingegneria Elettronica all'Università Sapienza di Roma. Interessato al campo della bioelettronica e dell'elettronica organica. Ha una grande passione per la divulgazione scientifica, in particolare nel campo biomedicale.

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