محققان الگوهای نانو طلا را روی سلول‌های زنده خالکوبی می‌کنند - دنیای فیزیک

محققان الگوهای نانو طلا را روی سلول‌های زنده خالکوبی می‌کنند - دنیای فیزیک

تمبر زمانی: 5 سپتامبر 2023، 5:00 صبح

آرایه نانو نقطه طلا بر روی یک سلول فیبروبلاست زنده
چاپ الگوهای نانو آرایه نانو نقطه طلایی با رنگ کاذب روی یک سلول فیبروبلاست زنده. (با احترام: Kam Sang Kwok و Soo Jin Choi، Gracias Lab/University Johns Hopkins)

توانایی ادغام حسگرهای الکترونیکی و نوری با بدن انسان در سطح تک سلولی می تواند روزی نظارت و کنترل از راه دور سلول های فردی را در زمان واقعی امکان پذیر کند. پیشرفت در ساخت وسایل الکترونیکی امکان ایجاد ترانزیستورها و حسگرهایی با وضوح نانو را فراهم کرده است، در حالی که تکنیک های نوآورانه نانوالگو امکان مونتاژ این دستگاه ها را بر روی بسترهای انعطاف پذیر فراهم می کند. با این حال، چنین فرآیندهایی معمولاً به مواد شیمیایی خشن، دماهای بالا یا تکنیک‌های خلاء نیاز دارند که برای سلول‌ها و بافت‌های زنده مناسب نیستند.

برای غلبه بر این موانع، یک تیم تحقیقاتی در دانشگاه جانز هاپکینز فرآیندی غیرسمی، با وضوح بالا و مقرون به صرفه را برای چاپ نانوالگوهای طلا بر روی بافت و سلول‌های زنده ایجاد کرده‌اند. گزارش یافته های خود در نامه های نانوآنها نشان می‌دهند که روش جدید می‌تواند سلول‌ها و بافت‌های زنده را با آرایه‌های انعطاف‌پذیر از نانو نقطه‌های طلا و نانوسیم‌ها «خالکوبی» کند. در نهایت، این روش می تواند برای ادغام دستگاه های هوشمند با بافت زنده برای کاربردهایی مانند بیونیک و بیوسنینگ استفاده شود.

سرپرست تیم توضیح می‌دهد: «اگر فناوری‌هایی برای ردیابی سلامت سلول‌های جدا شده داشتیم، شاید می‌توانستیم بیماری‌ها را خیلی زودتر تشخیص داده و درمان کنیم و منتظر نمانیم تا کل اندام آسیب ببیند». دیوید گراسیاس در بیانیه مطبوعاتی ما در مورد قرار دادن چیزی شبیه خالکوبی الکترونیکی بر روی یک شی زنده ده ها برابر کوچکتر از سر یک سنجاق صحبت می کنیم. این اولین قدم برای اتصال حسگرها و وسایل الکترونیکی بر روی سلول‌های زنده است.

تشکر از شما، لو گو و همکارانش یک فرآیند چاپ نانو انتقال سه مرحله ای را برای اتصال نانوالگوهای طلا به سلول های زنده طراحی کرده اند. در گام اول، آنها از لیتوگرافی نانوامپرنت معمولی (NIL) برای چاپ آرایه‌هایی از نانو نقطه‌های طلا یا نانوسیم‌ها بر روی ویفرهای سیلیکونی با پوشش پلیمری استفاده کردند. سپس پلیمر را حل کردند و نانوآرایه ها را برای انتقال روی ورقه های شیشه ای آزاد کردند.

در مرحله بعد، محققان سطح طلا را با سیستامین فعال کردند و آرایه های NIL طلا را با یک لایه انتقال هیدروژل آلژینات پوشش دادند. آنها نشان دادند که این رویکرد می‌تواند آرایه‌های 8 × 8 میلی‌متری از نانو نقطه‌ها و نانوسیم‌ها را از شیشه به هیدروژل‌های نرم و انعطاف‌پذیر منتقل کند. در مرحله آخر، آرایه های NIL طلا با ژلاتین کونژوگه می شوند تا انتقال آنها به سلول ها یا بافت های زنده امکان پذیر شود. جداسازی لایه انتقال هیدروژل سپس الگوی طلا را آشکار می کند.

محققان رفتار سلول های فیبروبلاست زنده کاشته شده بر روی آرایه هایی از نقاط طلایی با قطر 250 نانومتر (فاصله 550 نانومتر از مرکز به مرکز) یا سیم های طلایی با عرض 300 نانومتر (فاصله 450 نانومتر) روی هیدروژل های آلژینات را بررسی کردند. حدود 24 ساعت پس از کاشت، سلول‌های روی هیدروژل چاپ‌شده با نانوسیم ترجیحاً به موازات نانوسیم‌ها مهاجرت کردند، در حالی که سلول‌های روی نانو نقطه‌ها مهاجرت تصادفی، اما کمی سریع‌تر از خود نشان دادند. سلول‌های روی نانوسیم‌ها نیز تقریباً دوبرابر طول سلول‌های روی نانو نقطه‌ها را نشان دادند. این یافته ها توانایی آرایه های NIL طلا را برای هدایت جهت گیری و مهاجرت سلولی نشان می دهد.

آرایه نانوسیم طلا بر روی مغز موش چاپ شده است
فرآیند زیست سازگار آرایه نانوسیم طلا بر روی مغز موش چاپ شده است. (با احترام: Kam Sang Kwok و Soo Jin Choi، Gracias Lab/University Johns Hopkins)

هیدروژل آلژینات علاوه بر زیست سازگاری با سلول ها و بافت ها، می تواند آرایه های NIL طلا را به اندام ها و سلول های زنده منتقل کند. برای نشان دادن این موضوع، محققان هیدروژل های چاپ شده با نانوسیم را بر روی قشر مغز یک مغز کامل و یک برش مغزی تاج قرار دادند.

پس از 2 ساعت در محیط کشت و تفکیک هیدروژل، نانوسیم ها به سطح کل مغز پیوند خوردند. در مقابل، نانوسیم‌های روی برش مغزی به هم نمی‌چسبند، که نشان می‌دهد قدرت چسبندگی در انواع مختلف سلول و روش‌های کشت متفاوت است. محققان خاطرنشان می کنند که مطالعات بیشتری برای توصیف و بهینه سازی مکانیسم های چسبندگی برای اتصال طولانی مدت قوی مورد نیاز است.

در نهایت، برای ارزیابی چاپ انتقال زیستی در سطح تک سلولی، محققان ورق های سلولی تک لایه را روی هیدروژل های آلژینات چاپ شده با آرایه NIL طلا کشت دادند. پس از 24 ساعت، آنها هیدروژل های فیبروبلاست را روی ورقه های پوششی پوشیده شده با ژلاتین قرار دادند و اجازه دادند سلول ها یک شبه به ورقه های پوششی متصل شوند.

پس از تفکیک هیدروژل آلژینات، میکروسکوپ فلورسانس نشان داد که فیبروبلاست‌های طرح‌دار با نانو نقطه‌های طلا قابلیت زنده‌مانی تقریباً 97 درصد دارند، در حالی که آنهایی که با نانوسیم‌ها الگوبرداری شده‌اند، زنده‌مانی تقریباً 98 درصدی دارند که نشان می‌دهد فرآیند چاپ با سلول‌های زنده سازگاری زیستی دارد. رنگ‌های انعکاسی که روی صفحه سلولی فیبروبلاست طرح‌دار دیده می‌شوند نشان می‌دهند که شکل آرایه NIL طلا حفظ شده است.

فرآیند ساخت همچنین با فتولیتوگرافی در مقیاس میکرو سازگار است، که محققان را قادر می‌سازد تا تکه‌های شش ضلعی و مثلثی با عرض 200 میکرومتر از آرایه‌های NIL طلا ایجاد کنند. سپس آنها را انتقال بیولوژیکی روی صفحات سلولی چاپ کردند که منجر به رشد انتخابی سلول های فیبروبلاست روی میکروپچ ها شد. فیلم‌های ضبط‌شده بیش از 16 ساعت نشان می‌دهند که سلول‌هایی با تکه‌های نانوسیم چاپ شده در بالا، سالم و قادر به مهاجرت به نظر می‌رسند و آرایه‌ها حتی در حین حرکت روی سلول‌های نرم باقی می‌مانند.

Gracias می‌گوید: «ما نشان داده‌ایم که می‌توانیم نانوالگوهای پیچیده را به سلول‌های زنده بچسبانیم، در حالی که اطمینان حاصل کنیم که سلول نمی‌میرد». این یک نتیجه بسیار مهم است که سلول ها می توانند با خالکوبی ها زندگی و حرکت کنند، زیرا اغلب ناسازگاری قابل توجهی بین سلول های زنده و روش هایی که مهندسان برای ساخت وسایل الکترونیکی استفاده می کنند وجود دارد.

گراسیاس و همکارانش نتیجه می‌گیرند که فرآیند الگوسازی نانو آنها، همراه با تکنیک‌های استاندارد میکروساخت، «فرصت‌هایی را برای توسعه بسترهای کشت سلولی جدید، مواد بیوهیبرید، دستگاه‌های بیونیک و حسگرهای زیستی باز می‌کند». در مرحله بعد، آنها قصد دارند نانومدارهای پیچیده تری را بچسبانند که بتوانند برای مدت طولانی تری در جای خود باقی بمانند و همچنین انواع مختلف سلول ها را آزمایش کنند.

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک