Een interdisciplinair team van onderzoekers van MIT en elders heeft een methode ontwikkeld voor het printen van 3D-objecten die levende organismen op voorspelbare manieren kunnen beheersen. De techniek kan leiden tot 3D-printen van biomedische hulpmiddelen, zoals beugels op maat, die levende cellen bevatten om therapeutische verbindingen te produceren, zoals pijnstillers of plaatselijke behandelingen, zeggen de onderzoekers.

De nieuwe ontwikkeling werd geleid door MIT Media Lab Associate Professor Neri Oxman en afgestudeerde studenten Rachel Soo Hoo Smith, Christoph Bader, en Sunanda Sharma, samen met zes anderen aan het MIT en aan het Wyss Institute van Harvard University en het Dana-Farber Cancer Institute. Het systeem wordt beschreven in een artikel dat onlangs in het tijdschrift is gepubliceerd Geavanceerde functionele materialen .

"We noemen ze hybride levende materialen, of HLM's, "zegt Smith. Voor hun eerste proof-of-concept-experimenten, het team heeft verschillende chemicaliën nauwkeurig in het 3D-printproces verwerkt. Deze chemicaliën fungeren als signalen om bepaalde reacties in biologisch gemanipuleerde microben te activeren, die op het geprinte object worden gespoten. Eenmaal toegevoegd, de microben vertonen specifieke kleuren of fluorescentie in reactie op de chemische signalen.

In hun studie hebben het team beschrijft het uiterlijk van deze gekleurde patronen in een verscheidenheid aan gedrukte objecten, waarvan ze zeggen dat het de succesvolle opname van de levende cellen in het oppervlak van het 3D-geprinte materiaal aantoont, en de activering van de cellen als reactie op de selectief geplaatste chemicaliën.

Het doel is om een ​​robuust ontwerptool te maken voor het produceren van objecten en apparaten waarin levende biologische elementen zijn verwerkt, gemaakt op een manier die net zo voorspelbaar en schaalbaar is als andere industriële productieprocessen.

Het team gebruikt een meerstappenproces om hun hybride levende materialen te produceren. Eerst, ze gebruiken een in de handel verkrijgbare op inkjet gebaseerde 3D-printer met meerdere materialen, en aangepaste recepten voor de combinaties van harsen en chemische signalen die worden gebruikt voor het afdrukken. Bijvoorbeeld, ze vonden dat ene type hars, normaal gesproken alleen gebruikt om een ​​tijdelijke ondersteuning te produceren voor overhangende delen van een gedrukte structuur en vervolgens op te lossen na het afdrukken, kan bruikbare resultaten opleveren door te worden gemengd met het structurele harsmateriaal. De delen van de structuur waarin dit steunmateriaal is verwerkt, worden absorberend en kunnen de chemische signalen vasthouden die het gedrag van de levende organismen sturen.

Eindelijk, de levende laag wordt toegevoegd:een oppervlaktecoating van hydrogel - een gelatineus materiaal dat voornamelijk uit water bestaat maar een stabiele en duurzame roosterstructuur biedt - wordt doordrenkt met biologisch gemanipuleerde bacteriën en wordt op het object gespoten.

"We kunnen zeer specifieke vormen en distributies van de hybride levende materialen en de biosynthetische producten definiëren, of het nu kleuren of therapeutische middelen zijn, binnen de gedrukte vormen, "zegt Smith. Sommige van deze eerste testvormen werden gemaakt als schijven ter grootte van een zilveren dollar, en andere in de vorm van kleurrijke gezichtsmaskers, met de kleuren die door de levende bacteriën in hun structuur worden geleverd. De kleuren hebben enkele uren nodig om zich te ontwikkelen als de bacteriën groeien, en blijven dan stabiel als ze eenmaal op hun plaats zitten.

"Er zijn spannende praktische toepassingen met deze aanpak, omdat ontwerpers nu in staat zijn om de groei van levende systemen te controleren en te modelleren door middel van een computationeel algoritme, " zegt Oxman. "Combinatie van computationeel ontwerp, additieve productie, en synthetische biologie, het HLM-platform wijst op de verreikende impact die deze technologieën kunnen hebben op schijnbaar ongelijksoortige gebieden, 'verlevendigen' design en de objectruimte."

Met het printplatform dat het team gebruikte, kunnen de materiaaleigenschappen van het geprinte object nauwkeurig en continu worden gevarieerd tussen verschillende delen van de structuur, met sommige secties stijver en andere flexibeler, en sommige meer absorberend en andere vloeistofafstotend. Dergelijke variaties kunnen nuttig zijn bij het ontwerpen van biomedische apparaten die kracht en ondersteuning kunnen bieden, terwijl ze ook zacht en buigzaam zijn om comfort te bieden op plaatsen waar ze in contact zijn met het lichaam.

Het team bestond uit specialisten in biologie, bio-engineering, en computerwetenschap om met een systeem te komen dat voorspelbare patronen van het biologische gedrag over het afgedrukte object oplevert, ondanks de effecten van factoren zoals diffusie van chemicaliën door het materiaal. Door computermodellering van deze effecten, de onderzoekers produceerden software waarvan ze zeggen dat ze een nauwkeurigheidsniveau bieden dat vergelijkbaar is met de computerondersteunde ontwerpsystemen (CAD) die worden gebruikt voor traditionele 3D-printsystemen.

Het multiresin 3D-printplatform kan overal van drie tot zeven verschillende harsen met verschillende eigenschappen gebruiken, gemengd in elke verhouding. In combinatie met synthetische biologische engineering, dit maakt het mogelijk om objecten te ontwerpen met biologische oppervlakken die kunnen worden geprogrammeerd om op specifieke manieren te reageren op bepaalde stimuli zoals licht of temperatuur of chemische signalen, op manieren die reproduceerbaar en toch volledig aanpasbaar zijn, en dat op aanvraag kan worden geproduceerd, zeggen de onderzoekers.

"In de toekomst, de pigmenten in de maskers kunnen worden vervangen door nuttige chemische stoffen voor menselijke vergroting, zoals vitamines, antilichamen of antimicrobiële geneesmiddelen, " zegt Oxman. "Stel je voor, bijvoorbeeld, een draagbare interface die is ontworpen om ad-hoc antibioticavorming te begeleiden, aangepast aan de genetische samenstelling van de gebruiker. Of, denk aan slimme verpakkingen die besmetting kunnen detecteren, of omgevingsgevoelige architecturale skins die kunnen reageren en zich kunnen aanpassen - in realtime - aan omgevingsfactoren."

In hun testen, het team gebruikte genetisch gemodificeerde E. coli-bacteriën, omdat deze snel groeien en veel worden gebruikt en bestudeerd, maar in principe kunnen ook andere organismen worden gebruikt, zeggen de onderzoekers.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.