Ερευνητές «τατουάζ» νανομοτίβα χρυσού σε ζωντανά κύτταρα – Physics World

Ερευνητές «τατουάζ» νανομοτίβα χρυσού σε ζωντανά κύτταρα – Physics World

Χρονική σήμανση: 5 Σεπτεμβρίου 2023 5:00 π.μ.

Συστοιχία νανοκουκκίδων χρυσού σε ζωντανό κύτταρο ινοβλαστών
Εκτύπωση νανομοτίβων Συστοιχία νανοκουκίδων ψευδούς χρώματος χρυσού σε ζωντανό κύτταρο ινοβλαστών. (Ευγενική προσφορά: Kam Sang Kwok and Soo Jin Choi, Gracias Lab/Johns Hopkins University)

Η δυνατότητα συγχώνευσης ηλεκτρονικών και οπτικών αισθητήρων με το ανθρώπινο σώμα σε επίπεδο ενός κυττάρου θα μπορούσε μια μέρα να επιτρέψει την απομακρυσμένη παρακολούθηση και έλεγχο μεμονωμένων κυττάρων σε πραγματικό χρόνο. Η πρόοδος στην κατασκευή ηλεκτρονικών έχει καταστήσει δυνατή τη δημιουργία τρανζίστορ και αισθητήρων με ανάλυση νανοκλίμακας, ενώ οι καινοτόμες τεχνικές νανομορφοποίησης επιτρέπουν τη συναρμολόγηση αυτών των συσκευών σε εύκαμπτα υποστρώματα. Τέτοιες διαδικασίες, ωστόσο, γενικά απαιτούν σκληρές χημικές ουσίες, υψηλές θερμοκρασίες ή τεχνικές κενού που είναι ακατάλληλες για ζωντανά κύτταρα και ιστούς.

Για να ξεπεράσει αυτά τα εμπόδια, μια ερευνητική ομάδα στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins έχει αναπτύξει μια μη τοξική, υψηλής ανάλυσης και οικονομικά αποδοτική διαδικασία για την εκτύπωση νανομοτίβων χρυσού σε ζωντανούς ιστούς και κύτταρα. Αναφέρουν τα ευρήματά τους σε Nano γράμματα, αποδεικνύουν ότι η νέα τεχνική μπορεί να «τατουάζ» ζωντανά κύτταρα και ιστούς με εύκαμπτες σειρές από νανοκουκκίδες και νανοσύρματα χρυσού. Τελικά, η μέθοδος θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την ενοποίηση έξυπνων συσκευών με ζωντανό ιστό για εφαρμογές όπως η βιονική και ο βιοαισθητήρας.

«Αν είχαμε τεχνολογίες για την παρακολούθηση της υγείας των μεμονωμένων κυττάρων, θα μπορούσαμε ίσως να διαγνώσουμε και να θεραπεύσουμε ασθένειες πολύ νωρίτερα και να μην περιμένουμε μέχρι να καταστραφεί ολόκληρο το όργανο», εξηγεί ο επικεφαλής της ομάδας. Ντέιβιντ Γκράσιας σε δήλωση τύπου. «Μιλάμε για να βάλουμε κάτι σαν ηλεκτρονικό τατουάζ σε ένα ζωντανό αντικείμενο δεκάδες φορές μικρότερο από το κεφάλι μιας καρφίτσας. Είναι το πρώτο βήμα για την προσάρτηση αισθητήρων και ηλεκτρονικών σε ζωντανά κύτταρα».

Σας ευχαριστούμε, Λούο Γκου και οι συνάδελφοι έχουν σχεδιάσει μια διαδικασία εκτύπωσης νανομεταφοράς τριών σταδίων για τη σύνδεση νανομοτίβων χρυσού με ζωντανά κύτταρα. Στο πρώτο βήμα, χρησιμοποίησαν συμβατική λιθογραφία νανοαποτυπώματος (NIL) για να εκτυπώσουν συστοιχίες από νανοκουκκίδες ή νανοσύρματα χρυσού σε γκοφρέτες πυριτίου επικαλυμμένες με πολυμερές. Στη συνέχεια διέλυσαν το πολυμερές, ελευθερώνοντας τις νανοσυστοιχίες για μεταφορά σε γυάλινες καλυπτρίδες.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές λειτουργοποίησαν την επιφάνεια του χρυσού με κυστεαμίνη και επικάλυψαν τις χρυσές συστοιχίες NIL με ένα στρώμα μεταφοράς υδρογέλης αλγινικού. Έδειξαν ότι αυτή η προσέγγιση μπορούσε να μεταφέρει αξιόπιστα σειρές 8 × 8 mm από νανοκουκκίδες και νανοσύρματα από το γυαλί στις μαλακές και εύκαμπτες υδρογέλες. Στο τελικό στάδιο, οι συστοιχίες NIL χρυσού συζεύγνυνται με ζελατίνη για να καταστεί δυνατή η μεταφορά τους σε ζωντανά κύτταρα ή ιστό. Η διάσταση του στρώματος μεταφοράς υδρογέλης εκθέτει στη συνέχεια το σχέδιο χρυσού.

Οι ερευνητές ερεύνησαν τη συμπεριφορά ζωντανών κυττάρων ινοβλαστών που σπάρθηκαν σε συστοιχίες χρυσών κουκκίδων διαμέτρου 250 nm (550 nm απόσταση από κέντρο σε κέντρο) ή χρυσών συρμάτων πλάτους 300 nm (διάσταση 450 nm) σε αλγινικές υδρογέλες. Περίπου 24 ώρες μετά τη σπορά, τα κύτταρα στην τυπωμένη με νανοσύρμα υδρογέλη μετανάστευσαν κατά προτίμηση παράλληλα με τα νανοσύρματα, ενώ εκείνα στις νανοκουκκίδες εμφάνισαν τυχαία, αλλά ελαφρώς ταχύτερη, μετανάστευση. Τα κύτταρα στα νανοσύρματα παρουσίασαν επίσης περίπου διπλάσια επιμήκυνση από εκείνα στις νανοκουκκίδες. Αυτά τα ευρήματα καταδεικνύουν την ικανότητα των συστοιχιών NIL χρυσού να καθοδηγούν τον προσανατολισμό και τη μετανάστευση των κυττάρων.

Συστοιχία νανοσύρματος χρυσού τυπωμένη σε εγκέφαλο αρουραίου
Βιοσυμβατή διαδικασία Συστοιχία νανοσύρματος χρυσού τυπωμένη σε εγκέφαλο αρουραίου. (Ευγενική προσφορά: Kam Sang Kwok and Soo Jin Choi, Gracias Lab/Johns Hopkins University)

Εκτός από το ότι είναι βιοσυμβατό με κύτταρα και ιστούς, το αλγινικό υδρογέλη μπορεί επίσης να μεταφέρει συστοιχίες NIL χρυσού σε ζωντανά όργανα και κύτταρα. Για να το αποδείξουν αυτό, οι ερευνητές τοποθέτησαν υδρογέλες τυπωμένες με νανοσύρμα στον εγκεφαλικό φλοιό ενός ολόκληρου εγκεφάλου και μιας στεφανιαίας φέτας εγκεφάλου.

Μετά από 2 ώρες σε μέσα καλλιέργειας και διάσπαση της υδρογέλης, τα νανοσύρματα παρέμειναν συνδεδεμένα στην επιφάνεια ολόκληρου του εγκεφάλου. Αντίθετα, τα νανοσύρματα στη φέτα του εγκεφάλου δεν προσκολλήθηκαν, γεγονός που υποδηλώνει ότι η ισχύς πρόσφυσης ποικίλλει μεταξύ διαφορετικών τύπων κυττάρων και μεθόδων καλλιέργειας. Οι ερευνητές σημειώνουν ότι απαιτούνται περαιτέρω μελέτες για τον χαρακτηρισμό και τη βελτιστοποίηση των μηχανισμών πρόσφυσης για ισχυρή μακροπρόθεσμη συγκόλληση.

Τέλος, για να αξιολογήσουν την εκτύπωση βιομεταφοράς σε επίπεδο ενός κυττάρου, οι ερευνητές καλλιέργησαν μονοστρωματικά κυτταρικά φύλλα σε υδρογέλες αλγινικών τυπωμένων με συστοιχία NIL χρυσού. Μετά από 24 ώρες, πέρασαν τις υδρογέλες με σπόρους ινοβλαστών σε καλυπτρίδες επικαλυμμένες με ζελατίνη και άφησαν τα κύτταρα να προσκολληθούν στις καλυπτρίδες όλη τη νύχτα.

Μετά τη διάσπαση της αλγινικής υδρογέλης, η μικροσκοπία φθορισμού αποκάλυψε ότι οι ινοβλάστες με μοτίβο με νανοκουκκίδες χρυσού είχαν βιωσιμότητα περίπου 97%, ενώ αυτοί με μοτίβο με νανοσύρματα είχαν βιωσιμότητα περίπου 98%, υποδεικνύοντας ότι η διαδικασία εκτύπωσης είναι βιοσυμβατή με ζωντανά κύτταρα. Τα αντανακλαστικά χρώματα που φαίνονται στο διαμορφωμένο κυτταρικό φύλλο ινοβλαστών υποδηλώνουν ότι το σχήμα της χρυσής συστοιχίας NIL διατηρήθηκε.

Η διαδικασία κατασκευής είναι επίσης συμβατή με τη φωτολιθογραφία μικροκλίμακας, η οποία επέτρεψε στους ερευνητές να δημιουργήσουν εξαγωνικές και τριγωνικές πλάκες 200 μm από χρυσές συστοιχίες NIL. Στη συνέχεια, τα τύπωσαν σε κυτταρικά φύλλα, οδηγώντας σε επιλεκτική ανάπτυξη κυττάρων ινοβλαστών στα μικρομπαλώματα. Ταινίες που καταγράφηκαν σε διάστημα 16 ωρών έδειξαν ότι τα κελιά με μπαλώματα από νανοσύρματα τυπωμένα στο επάνω μέρος φαίνονται υγιή και ικανά να μεταναστεύσουν, με τις συστοιχίες να παραμένουν στα μαλακά κελιά ακόμα και όταν κινούνταν.

«Έχουμε δείξει ότι μπορούμε να προσαρτήσουμε σύνθετα νανομοτίβα σε ζωντανά κύτταρα, διασφαλίζοντας παράλληλα ότι το κύτταρο δεν πεθαίνει», λέει ο Gracias. «Είναι ένα πολύ σημαντικό αποτέλεσμα ότι τα κύτταρα μπορούν να ζουν και να κινούνται με τα τατουάζ, επειδή συχνά υπάρχει σημαντική ασυμβατότητα μεταξύ των ζωντανών κυττάρων και των μεθόδων που χρησιμοποιούν οι μηχανικοί για την κατασκευή ηλεκτρονικών ειδών».

Ο Gracias και οι συνεργάτες του καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι η διαδικασία νανομορφοποίησης, σε συνδυασμό με τυπικές τεχνικές μικροκατασκευής, «ανοίγει ευκαιρίες για την ανάπτυξη νέων υποστρωμάτων κυτταροκαλλιέργειας, βιουβριδικών υλικών, βιονικών συσκευών και βιοαισθητήρων». Στη συνέχεια, σχεδιάζουν να προσπαθήσουν να συνδέσουν πιο πολύπλοκα νανοκυκλώματα που μπορούν να παραμείνουν στη θέση τους για μεγαλύτερες περιόδους, καθώς και να πειραματιστούν με διαφορετικούς τύπους κυττάρων.

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κόσμος Φυσικής