In den letzten Jahren haben Wissenschaftler verschiedene ungewöhnliche Tinten zum Drucken auf 3D-Druckern ausprobiert. Einige Tinten wurden aus wärmeempfindlichen Polymeren hergestellt und wurden benötigt, um Objekte zu drucken, deren Form sich unter dem Einfluss von Wärme ändert. Andere druckten lichtempfindliche Polymerstrukturen, die sich als Reaktion auf Lichtströme zusammenziehen und dehnen. Spezialisten des Massachusetts Institute of Technology (MIT)
machten ein "Live" -Tattoo. Der Begriff "Tätowierung" ist nicht ganz richtig. Das Bakterienmuster haftet nicht auf der Haut, sondern wird nach dem Schichtdruck mit einem verflüssigten Gel geklebt, und die Bakterien leben in den bedruckten Wänden des Musters, während Nahrungsressourcen vorhanden sind. Bakterien können auf äußere Reize reagieren, indem sie ihre Durchlässigkeit ändern, vibrieren oder ihre Farbe ändern (korrektere Fachbegriffe werden unten angegeben) und dadurch den Besitzer über Gesundheitsprobleme oder die Umwelt informieren oder Informationen an ein Gerät übertragen. Im gezeigten Beispiel verwendete der "lebende Sensor" den Fluoreszenzmechanismus (leuchtend).
Das Forschungsteam unter der Leitung von Professor Xuanhe Zhao und Associate Professor Timothy Lu demonstrierte Reportern ihre Technik, indem es ein "lebendes Tattoo" druckte - einen dünnen transparenten Fleck (Fleck) in Form eines Baumes. Jeder der 3 Zweige des Baumes war mit Zellen gesättigt, die gegenüber einer bestimmten chemischen oder molekularen Verbindung empfindlich waren. Dann wurde es auf eine transparente Elastomerschicht geklebt und die Wirkung des Pflasters auf das Handgelenk des Freiwilligen wurde überprüft. Auf die Haut wurden mehrere chemische Verbindungen aufgetragen. Wenn ein Pflaster auf eine Haut aufgetragen wurde, die verschiedenen Verbindungen ausgesetzt war, leuchten die gewünschten Bereiche des Baumes als Reaktion auf.
Der Sensor arbeitete mehrere Stunden und während dieser Zeit wurde jeder der 3 „Zweige“ des Sensors beleuchtet, wenn die Bakterien die entsprechenden chemischen Reizstoffe fühlten. Die Farbänderung war mit dem Start fluoreszierender Proteine in Bakterienzellen verbunden.
Das Muster wurde auf der Basis eines dreidimensionalen Standarddruckers gedruckt, jedoch in Kombination mit Geräten, die sie selbst modifizierten. Um auf einem 3D-Drucker zu drucken, mussten die Wände der Bakterien genetisch verändert werden, um eine Dichte zu erreichen, die dem Druck des Strahls vom Drucker während des 3D-Drucks standhalten konnte. Die Säugetierlipidzellen, die früher in anderen Studien verwendet wurden, platzten einfach aus dem Druckstamm. Es war immer noch notwendig, den Überlebensgrad der Bakterien selbst zu erhöhen. Die Forscher führten einen Screening-Test durch, um die Art des Hydrogels zu bestimmen, das Bakterienzellen am besten aufnehmen können. Nach einer umfassenden Suche wurden Hydrogel und Pluronsäure als die beste Kombination als das am besten kompatible Material angesehen. Nach dem Drucken härtete das Muster unter ultravioletter Strahlung aus und wurde zu einem „intelligenten“ Aufkleber (Patches).
Forscher haben auch Bakterien geschaffen, um miteinander zu kommunizieren. Beispielsweise haben sie einige Zellen nur dann für die Beleuchtung programmiert, wenn sie ein bestimmtes Signal von einer anderen Zelle empfangen. Um diese Art der Bindung in einer dreidimensionalen Struktur zu testen, druckten sie eine dünne Schicht Hydrogelfilamente mit „Eingangsbakterien“ (signalerzeugenden Bakterien) und eine Schicht von Filamenten, die mit „Ausgangsbakterien“ (signalempfangenden Bakterien) überlagert waren. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass die Ausgangsfasern nur dann beleuchtet werden, wenn sie Input von den entsprechenden Bakterien erhalten. In Zukunft wird die Menschheit in der Lage sein, diese Technik für den Betrieb von "lebenden Computern" zu verwenden - Strukturen mit verschiedenen Arten von Zellen, die miteinander kommunizieren und Signale wie Transistoren auf einem Mikrochip hin und her übertragen.
Dies ist eine weit entfernte Perspektive, aber die Autoren der Studie erwarten, eines Tages tragbare Live-Computer zu drucken. Derzeit werden einzelne Sensoren in Form von flexiblen Aufklebern verwendet. Die Pläne beinhalten auch die Schaffung von Fabriken für chirurgische Implantate, in denen nützliche Verbindungen wie Glukose hergestellt werden. "Wir können Bakterienzellen als Arbeiter in einer Fabrik einsetzen, die in Menschen gebaut wurde." Hyunwoo Yuk, der an der Studie teilgenommen hat, glaubt, dass solche lebenden Sensoren in Zukunft zur Schaffung einer neuen Generation von Arzneimittelabgabesystemen verwendet werden können.
Das Folgende ist ein schematischer Arbeitsablauf zum Entwerfen von lebendem Material. Reaktionen von lebenden Materialien, einschließlich chemischer Diffusion und Zellinduktion, werden vormodelliert, um Rückmeldungen für den Aufbau des gewünschten Sensors zu geben. Das Hauptpoloxamer beim Drucken von Live-Sensoren ist das
Pluronic F127 . Dies ist ein Blockcopolymer mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 13.000 Da. In verdünnten Lösungen mit einer Polymerkonzentration über der kritischen Konzentration bildet Pluronic spontan Aggregate (Mizellen) mit einem Durchmesser von 30–50 nm mit einem hydrophoben zentralen Kern und nach außen gerichteten hydrophilen Resten. In einer
ausreichend hohen Konzentration befinden sich Mizellen im thermodynamischen Gleichgewicht mit nicht assoziierten Molekülen. Wenn die Lösung verdünnt wird, zerfallen die Mizellen und mit zunehmender Konzentration an Tensiden treten Mizellen wieder auf.
Neue Technologie und neue modifizierte Zellen ermöglichten die Bildung großer Muster (3 cm) mit hoher Auflösung (30 μm), in denen Zellen Signale nach festgelegten Algorithmen kommunizieren und verarbeiten können. Für Spezialisten sind die Materialien
hier veröffentlicht . Die Forscher haben Strukturen gebildet, die hinsichtlich Größe und Genauigkeit der Reaktionen (Auflösung) funktionsfähig sind, aber auch in diese Richtung verbessert werden müssen. Es sind dichtere Muster mit mehr Bindungen erforderlich. Eine der Hauptaufgaben besteht darin, die Architektur des Computerchips zu reproduzieren. Gentechnisch veränderte Bakterien werden mit einer bestimmten Reaktion auf bestimmte Chemikalien in Dutzende und Hunderte von Arten unterteilt. Dies wird ihr Steuerungssystem - durch die Bereitstellung der notwendigen Lösungen für die Knoten der dreidimensionalen Struktur können Wissenschaftler einen vorprogrammierten Prozess starten.