En metod för att skriva ut 3D-objekt som kan kontrollera levande organismer på förutsägbara sätt har utvecklats av ett tvärvetenskapligt team av forskare vid MIT och på andra håll. Tekniken kan leda till 3D-utskrift av biomedicinska verktyg, som skräddarsydda hängslen, som innehåller levande celler för att producera terapeutiska föreningar som smärtstillande medel eller topiska behandlingar, säger forskarna.

Den nya utvecklingen leddes av MIT Media Lab docent Neri Oxman och doktorander Rachel Soo Hoo Smith, Christoph Bader, och Sunanda Sharma, tillsammans med sex andra vid MIT och vid Harvard Universitys Wyss Institute och Dana-Farber Cancer Institute. Systemet beskrivs i en artikel som nyligen publicerats i tidskriften Avancerade funktionella material .

"Vi kallar dem levande hybridmaterial, eller HLM, " säger Smith. För deras första proof-of-concept-experiment, teamet införlivade exakt olika kemikalier i 3D-utskriftsprocessen. Dessa kemikalier fungerar som signaler för att aktivera vissa reaktioner i biologiskt framställda mikrober, som sprayas på det tryckta föremålet. När den väl har lagts till, mikroberna visar specifika färger eller fluorescens som svar på de kemiska signalerna.

I deras studie, teamet beskriver utseendet på dessa färgade mönster i en mängd olika tryckta föremål, som de säger visar den framgångsrika inkorporeringen av de levande cellerna i ytan av det 3-D-tryckta materialet, och cellernas aktivering som svar på de selektivt placerade kemikalierna.

Målet är att skapa ett robust designverktyg för att producera föremål och enheter som innehåller levande biologiska element, tillverkad på ett sätt som är lika förutsägbart och skalbart som andra industriella tillverkningsprocesser.

Teamet använder en flerstegsprocess för att producera sina hybrida levande material. Först, de använder en kommersiellt tillgänglig multimaterial bläckstrålebaserad 3-D-skrivare, och skräddarsydda recept för kombinationer av hartser och kemiska signaler som används för tryckning. Till exempel, de fann att en typ av harts, används normalt bara för att producera ett tillfälligt stöd för överhängande delar av en tryckt struktur och löses sedan upp efter tryckning, kan ge användbara resultat genom att blandas med det strukturella hartsmaterialet. De delar av strukturen som innehåller detta stödmaterial blir absorberande och kan behålla de kemiska signaler som styr de levande organismernas beteende.

Till sist, det levande lagret läggs till:en ytbeläggning av hydrogel – ett gelatinartat material som mestadels består av vatten men ger en stabil och hållbar gallerstruktur – infunderas med biologiskt framställda bakterier och spraybeläggs på föremålet.

"Vi kan definiera mycket specifika former och distributioner av hybrid levande material och biosyntetiserade produkter, oavsett om de är färgämnen eller terapeutiska medel, inom de tryckta formerna, " säger Smith. Några av dessa första testformer gjordes som skivor i silver-dollarstorlek, och andra i form av färgglada ansiktsmasker, med färgerna som de levande bakterierna tillhandahåller inom sin struktur. Färgerna tar flera timmar att utvecklas när bakterierna växer, och förblir sedan stabila när de väl är på plats.

"Det finns spännande praktiska tillämpningar med detta tillvägagångssätt, eftersom designers nu kan kontrollera och mönstra tillväxten av levande system genom en beräkningsalgoritm, " säger Oxman. "Kombinerar beräkningsdesign, additiv tillverkning, och syntetisk biologi, HLM-plattformen pekar mot den långtgående inverkan som dessa teknologier kan ha inom till synes olika områden, "upplivande" design och objektutrymmet."

Tryckplattformen teamet använde gör att materialegenskaperna hos det tryckta föremålet kan varieras exakt och kontinuerligt mellan olika delar av strukturen, med vissa sektioner styvare och andra mer flexibla, och några mer absorberande och andra vätskeavvisande. Sådana variationer kan vara användbara vid utformningen av biomedicinska anordningar som kan ge styrka och stöd samtidigt som de är mjuka och böjliga för att ge komfort på platser där de är i kontakt med kroppen.

I teamet ingick specialister inom biologi, bioteknik, och datavetenskap för att komma fram till ett system som ger förutsägbara mönster av det biologiska beteendet över det tryckta föremålet, trots effekterna av faktorer som diffusion av kemikalier genom materialet. Genom datormodellering av dessa effekter, forskarna producerade mjukvara som de säger erbjuder precisionsnivåer som är jämförbara med datorstödda designsystem (CAD) som används för traditionella 3D-utskriftssystem.

Multiresin 3-D-utskriftsplattformen kan använda allt från tre till sju olika hartser med olika egenskaper, blandas i alla proportioner. I kombination med syntetisk biologisk ingenjörskonst, detta gör det möjligt att designa objekt med biologiska ytor som kan programmeras att svara på specifika sätt på speciella stimuli som ljus eller temperatur eller kemiska signaler, på sätt som är reproducerbara men ändå helt anpassningsbara, och som kan produceras på begäran, säger forskarna.

"I framtiden, pigmenten som ingår i maskerna kan ersättas med användbara kemiska ämnen för mänsklig förstärkning såsom vitaminer, antikroppar eller antimikrobiella läkemedel, " säger Oxman. "Föreställ dig, till exempel, ett bärbart gränssnitt utformat för att styra ad-hoc-bildning av antibiotika anpassat för att passa användarens genetiska sammansättning. Eller, överväg smarta förpackningar som kan upptäcka kontaminering, eller miljövänliga arkitektoniska skal som kan svara och anpassa sig – i realtid – till miljösignaler."

I sina tester, laget använde genetiskt modifierade E. coli-bakterier, eftersom dessa växer snabbt och används och studeras i stor utsträckning, men i princip kan andra organismer också användas, säger forskarna.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.