Nos últimos anos, os cientistas tentaram várias tintas incomuns para imprimir em impressoras 3D. Algumas tintas eram feitas de polímeros sensíveis ao calor e eram necessárias para imprimir objetos que mudam de forma sob a influência do calor. Outros imprimiram estruturas poliméricas fotossensíveis que se contraem e se estendem em resposta a fluxos de luz. Especialistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT)
fizeram uma tatuagem "viva". O termo "tatuagem" não é totalmente exato. O padrão bacteriano não gruda na pele, mas é colado usando um gel liquefeito após a impressão camada por camada, e as bactérias vivem dentro das paredes impressas do padrão enquanto houver recursos alimentares. As bactérias podem responder a estímulos externos alterando sua permeabilidade, vibrando ou mudando de cor (termos especializados mais corretos são fornecidos abaixo) e, assim, sinalizando ao proprietário sobre problemas de saúde ou meio ambiente ou transmitindo informações para algum dispositivo. No exemplo mostrado, o "sensor vivo" usava o mecanismo de fluorescência (incandescente).
A equipe de pesquisa, liderada pelo professor Xuanhe Zhao e pelo professor associado Timothy Lu, demonstrou sua técnica aos repórteres imprimindo uma "tatuagem viva" - um fino remendo transparente (remendo) na forma de uma árvore. Cada um dos três ramos da árvore estava saturado com células sensíveis a um composto químico ou molecular específico. Em seguida, foi anexado a uma camada elastomérica transparente e o efeito do adesivo no pulso do voluntário foi verificado. Vários compostos químicos foram aplicados à pele. Quando um adesivo foi aplicado a uma pele exposta a vários compostos, as áreas desejadas da árvore acendem em resposta.
O sensor funcionou por várias horas e, durante esse período, cada um dos 3 "ramos" do sensor foi iluminado quando as bactérias sentiram os irritantes químicos correspondentes. A mudança de cor foi associada ao lançamento de proteínas fluorescentes nas células bacterianas.
O padrão foi impresso com base em uma impressora tridimensional padrão, mas em combinação com dispositivos que eles mesmos modificaram. Para imprimir em uma impressora 3D, era necessário modificar geneticamente as paredes das bactérias, levando-as a uma densidade que pudesse suportar a pressão do jato da impressora durante a impressão 3D. As células lipídicas dos mamíferos usadas anteriormente em outros estudos simplesmente explodiram da tensão na impressão. Ainda era necessário aumentar o grau de sobrevivência das próprias bactérias. Os pesquisadores realizaram um teste de triagem para determinar o tipo de hidrogel que as células bacterianas tomarão melhor. Após uma extensa pesquisa, hidrogel e ácido plurônico foram considerados a melhor combinação como o material mais compatível. Após a impressão, o padrão endureceu sob radiação ultravioleta e tornou-se um adesivo "inteligente" (adesivo).
Os pesquisadores também criaram bactérias para se comunicar; por exemplo, eles programaram algumas células para iluminação somente quando recebem um sinal específico de outra célula. Para testar esse tipo de ligação em uma estrutura tridimensional, eles imprimiram uma fina folha de filamentos de hidrogel com bactérias "entradas" (geradoras de sinal) e uma camada de filamentos sobrepostos a elas com bactérias "saídas" (receptoras de sinal). Os cientistas descobriram que as fibras de saída são iluminadas apenas quando recebem informações das bactérias correspondentes. No futuro, a humanidade poderá usar essa técnica para a operação de "computadores vivos" - estruturas com vários tipos de células que se comunicam entre si, transmitindo sinais para frente e para trás, como transistores em um microchip.
Essa é uma perspectiva distante, mas os autores do estudo esperam algum dia imprimir computadores vestíveis ao vivo. Atualmente, sensores individuais na forma de adesivos flexíveis serão usados. Os planos também incluem a criação de fábricas de implantes cirúrgicos que produzem compostos úteis dentro de uma pessoa, como a glicose. "Podemos usar células bacterianas como trabalhadores em uma fábrica construída em humanos". Hyunwoo Yuk, que participou do estudo, acredita que, no futuro, esses sensores vivos poderão ser usados para criar uma nova geração de sistemas de administração de medicamentos.
A seguir, é apresentado um fluxo de trabalho esquemático para projetar material vivo. Respostas de materiais vivos, incluindo difusão química e indução de células, são pré-modeladas para fornecer feedback para a construção do sensor desejado. O principal
poloxâmero envolvido na impressão de sensores
ativos é o
Pluronic F127 . Este é um copolímero em bloco com um peso molecular médio de 13.000 Da. Em soluções diluídas com uma concentração de polímero acima da concentração crítica, o Pluronic forma espontaneamente agregados (micelas) com um diâmetro de 30 a 50 nm com um núcleo central hidrofóbico e resíduos hidrofílicos direcionados ao ambiente externo. Em uma
concentração suficientemente alta, as micelas estão em equilíbrio termodinâmico com moléculas não associadas. Quando a solução é diluída, as micelas se desintegram e, com um aumento na concentração de surfactantes, as micelas reaparecem.
A nova tecnologia e as novas células modificadas tornaram possível formar padrões grandes (3 cm) com alta resolução (30 μm), onde as células podem se comunicar e processar sinais de acordo com os algoritmos especificados. Para especialistas, os materiais são publicados
aqui . Os pesquisadores formaram estruturas que são operáveis em termos de tamanho e precisão das reações (resolução), mas também precisam melhorar nessa direção. Padrões mais densos com mais laços são necessários. Uma das principais tarefas é reproduzir a arquitetura do chip do computador. As bactérias geneticamente modificadas serão divididas em dezenas e centenas de espécies, com uma certa reação a produtos químicos específicos. Isso se tornará o sistema de controle deles - fornecendo as soluções necessárias aos nós da estrutura tridimensional, os cientistas poderão iniciar um processo pré-programado.