Ces dernières années, les scientifiques ont essayé diverses encres inhabituelles pour imprimer sur des imprimantes 3D. Certaines encres étaient fabriquées à partir de polymères thermosensibles et étaient nécessaires pour imprimer des objets qui changent de forme sous l'influence de la chaleur. D'autres ont imprimé des structures polymères photosensibles qui se contractent et s'étirent en réponse aux flux de lumière. Des spécialistes du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont
réalisé un tatouage «en direct». Le terme "tatouage" n'est pas tout à fait exact. Le motif bactérien ne colle pas sur la peau, mais est collé à l'aide d'un gel liquéfié après impression couche par couche, et les bactéries vivent à l'intérieur des parois imprimées du motif tant qu'il y a des ressources alimentaires. Les bactéries peuvent répondre à des stimuli externes en modifiant leur perméabilité, en vibrant ou en changeant de couleur (des termes spécialisés plus corrects sont donnés ci-dessous) et signalant ainsi le propriétaire des problèmes de santé ou de l'environnement ou en transmettant des informations à un appareil. Dans l'exemple illustré, le «capteur vivant» a utilisé le mécanisme de fluorescence (incandescent).
L'équipe de recherche, dirigée par le professeur Xuanhe Zhao et le professeur agrégé Timothy Lu, a démontré sa technique aux journalistes en imprimant un "tatouage en direct" - un mince patch transparent (patch) en forme d'arbre. Chacune des 3 branches de l'arbre était saturée de cellules sensibles à un composé chimique ou moléculaire particulier. Ensuite, il a été attaché à une couche élastomère transparente et l'effet du patch sur le poignet du volontaire a été vérifié. Plusieurs composés chimiques ont été appliqués sur la peau. Lorsqu'un patch a été appliqué sur une peau exposée à divers composés, les zones souhaitées de l'arbre s'illuminent en réponse.
Le capteur a fonctionné pendant plusieurs heures et pendant ce temps, chacune des 3 «branches» du capteur a été illuminée lorsque les bactéries ont ressenti les irritants chimiques correspondants. Le changement de couleur était associé au lancement de protéines fluorescentes à l'intérieur des cellules bactériennes.
Le motif a été imprimé sur la base d'une imprimante tridimensionnelle standard, mais en combinaison avec des appareils qu'ils ont eux-mêmes modifiés. Pour imprimer sur une imprimante 3D, il a été nécessaire de modifier génétiquement les parois des bactéries, en les amenant à une densité pouvant résister à la pression du jet de l'imprimante lors de l'impression 3D. Les cellules lipidiques de mammifères utilisées plus tôt dans d'autres études éclatent simplement de la pression sur l'impression. Il fallait encore augmenter le degré de survie des bactéries elles-mêmes. Les chercheurs ont effectué un test de dépistage pour déterminer le type d'hydrogel que les cellules bactériennes prendraient le mieux. Après une recherche approfondie, l'hydrogel et l'acide pluronique ont été considérés comme la meilleure combinaison en tant que matériau le plus compatible. Après l'impression, le motif a durci sous le rayonnement ultraviolet et est devenu un autocollant autocollant «intelligent» (patchs).
Les chercheurs ont également créé des bactéries pour communiquer entre elles; par exemple, ils ont programmé certaines cellules pour l'éclairage uniquement lorsqu'elles reçoivent un signal spécifique d'une autre cellule. Pour tester ce type de liaison dans une structure tridimensionnelle, ils ont imprimé une fine feuille de filaments d'hydrogel avec des bactéries «entrées» (génératrices de signaux) et une couche de filaments superposées avec des bactéries «sorties» (récepteurs de signaux). Les scientifiques ont découvert que les fibres de sortie ne sont illuminées que lorsqu'elles reçoivent des données des bactéries correspondantes. À l'avenir, l'humanité pourra utiliser cette technique pour faire fonctionner des "ordinateurs vivants" - des structures avec plusieurs types de cellules qui communiquent entre elles, transmettant des signaux d'avant en arrière, comme des transistors sur une puce.
C'est une perspective lointaine, mais les auteurs de l'étude s'attendent à imprimer un jour des ordinateurs portables en direct. Actuellement, des capteurs individuels sous forme d'autocollants flexibles seront utilisés. Les plans incluent également la création d'usines d'implants chirurgicaux qui produisent des composés utiles à l'intérieur d'une personne, comme le glucose. «Nous pouvons utiliser des cellules bactériennes comme travailleurs dans une usine construite chez l'homme.» Hyunwoo Yuk, qui a participé à l'étude, pense qu'à l'avenir, de tels capteurs vivants pourront être utilisés pour créer une nouvelle génération de systèmes d'administration de médicaments.
Ce qui suit est un flux de travail schématique pour la conception de matériel vivant. Les réponses des matériaux vivants, y compris la diffusion chimique et l'induction cellulaire, sont pré-modélisées pour fournir une rétroaction pour la construction du capteur souhaité. Le principal
poloxamère impliqué dans l'impression de capteurs sous
tension est le
Pluronic F127 . Il s'agit d'un copolymère bloc avec un poids moléculaire moyen de 13 000 Da. Dans les solutions diluées avec une concentration en polymère supérieure à la concentration critique, Pluronic forme spontanément des agrégats (micelles) d'un diamètre de 30 à 50 nm avec un noyau central hydrophobe et des résidus hydrophiles dirigés vers l'environnement extérieur. A une
concentration suffisamment élevée, les micelles sont en équilibre thermodynamique avec des molécules non associées. Lorsque la solution est diluée, les micelles se désintègrent et avec une augmentation de la concentration en tensioactifs, les micelles réapparaissent.
La nouvelle technologie et les nouvelles cellules modifiées ont permis de former de grands motifs (3 cm) à haute résolution (30 μm), où les cellules peuvent communiquer et traiter des signaux selon des algorithmes spécifiés. Pour les spécialistes, les documents sont affichés
ici . Les chercheurs ont formé des structures exploitables en termes de taille et de précision des réactions (résolution), mais elles doivent également s'améliorer dans cette direction. Des motifs plus denses avec plus de liens sont nécessaires. L'une des tâches principales est de reproduire l'architecture de la puce informatique. Les bactéries génétiquement modifiées seront divisées en dizaines et centaines d'espèces, avec une certaine réaction à des produits chimiques spécifiques. Cela deviendra leur système de contrôle - en fournissant les solutions nécessaires aux nœuds de la structure tridimensionnelle, les scientifiques pourront démarrer un processus préprogrammé.