Ingenjörer har utvecklat tatueringar i nanoskala – prickar och trådar som fäster vid levande celler – i ett genombrott som sätter forskarna ett steg närmare att spåra enskilda cellers hälsa.
Den nya tekniken möjliggör för första gången placering av optiska element eller elektronik på levande celler med tatueringsliknande arrayer som fastnar på cellerna samtidigt som de böjs och anpassar sig till cellernas våta och flytande yttre struktur.
"Om du föreställer dig vart det här är på väg i framtiden, skulle vi vilja ha sensorer för att fjärrövervaka och kontrollera tillståndet hos enskilda celler och miljön som omger dessa celler i realtid", säger David Gracias, professor i kemisk och biomolekylär ingenjör vid Johns Hopkins University som ledde utvecklingen av tekniken. "Om vi hade teknologier för att spåra hälsan hos isolerade celler skulle vi kanske kunna diagnostisera och behandla sjukdomar mycket tidigare och inte vänta tills hela organet är skadat."
Detaljerna publiceras i Nano Letters .
Gracias, som arbetar med att utveckla biosensorteknologier som är giftfria och icke-invasiva för kroppen, sa att tatueringarna överbryggar klyftan mellan levande celler eller vävnad och konventionella sensorer och elektroniska material. De är i grunden som streckkoder eller QR-koder, sa han.
"Vi pratar om att sätta något som en elektronisk tatuering på ett levande föremål tiotals gånger mindre än huvudet på en nål," sa Gracias. "Det är det första steget mot att fästa sensorer och elektronik på levande celler."
Strukturerna kunde hålla fast vid mjuka celler i 16 timmar även när cellerna rörde sig.
Forskarna byggde tatueringarna i form av arrayer med guld, ett material känt för sin förmåga att förhindra signalförlust eller förvrängning i elektroniska ledningar. De fäste matriserna till celler som gör och upprätthåller vävnad i människokroppen, så kallade fibroblaster. Arrayerna behandlades sedan med molekylära lim och överfördes till cellerna med hjälp av en alginathydrogelfilm, ett gelliknande laminat som kan lösas upp efter att guldet fäster vid cellen. Det molekylära limmet på arrayen binder till en film som utsöndras av cellerna som kallas extracellulär matris.
Tidigare forskning har visat hur man använder hydrogeler för att fästa nanoteknik på mänsklig hud och inre djurorgan. Genom att visa hur man fäster nanotrådar och nanopunkter på enstaka celler, tar Gracias team upp den långvariga utmaningen att göra optiska sensorer och elektronik kompatibla med biologiskt material på encellsnivå.
"Vi har visat att vi kan fästa komplexa nanomönster till levande celler, samtidigt som vi ser till att cellen inte dör," sa Gracias. "Det är ett mycket viktigt resultat att cellerna kan leva och röra sig med tatueringarna eftersom det ofta finns en betydande inkompatibilitet mellan levande celler och de metoder ingenjörer använder för att tillverka elektronik."
Teamets förmåga att fästa prickarna och ledningarna i en arrayform är också avgörande. För att kunna använda den här tekniken för att spåra bioinformation måste forskare kunna ordna sensorer och ledningar till specifika mönster som inte skiljer sig från hur de är ordnade i elektroniska chips.
"Det här är en array med specifikt mellanrum," förklarade Gracias, "inte ett slumpmässigt gäng prickar."
Teamet planerar att försöka fästa mer komplexa nanokretsar som kan sitta på plats under längre perioder. De vill också experimentera med olika typer av celler.
Mer information: Kam Sang Kwok et al, Toward Single Cell Tattoos:Biotransfer Printing of Lithographic Gold Nanopatterns on Live Cells, Nano Letters (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c01960
Journalinformation: Nanobokstäver
Tillhandahålls av Johns Hopkins University
