Para peneliti 'menato' pola nano emas ke sel hidup – Dunia Fisika

Para peneliti 'menato' pola nano emas ke sel hidup – Dunia Fisika

Stempel Waktu: 5 September 2023 5

Susunan nanodot emas pada sel fibroblas hidup
Mencetak pola nano Susunan nanodot emas berwarna palsu pada sel fibroblas hidup. (Sumber: Kam Sang Kwok dan Soo Jin Choi, Gracias Lab/Universitas Johns Hopkins)

Kemampuan untuk menggabungkan sensor elektronik dan optik dengan tubuh manusia pada tingkat sel tunggal suatu hari nanti dapat memungkinkan pemantauan jarak jauh dan kontrol sel individual secara real time. Kemajuan dalam fabrikasi elektronik telah memungkinkan pembuatan transistor dan sensor dengan resolusi skala nano, sementara teknik nanopatterning yang inovatif memungkinkan perakitan perangkat ini pada substrat yang fleksibel. Namun, proses tersebut umumnya memerlukan bahan kimia keras, suhu tinggi, atau teknik vakum yang tidak sesuai untuk sel dan jaringan hidup.

Untuk mengatasi kendala ini, tim peneliti di Universitas Johns Hopkins telah mengembangkan proses yang tidak beracun, beresolusi tinggi, dan hemat biaya untuk mencetak pola nano emas ke jaringan dan sel hidup. Melaporkan temuan mereka di Nano Letters, mereka menunjukkan bahwa teknik baru ini dapat “menato” sel dan jaringan hidup dengan susunan nanodot emas dan kawat nano yang fleksibel. Pada akhirnya, metode ini dapat digunakan untuk mengintegrasikan perangkat pintar dengan jaringan hidup untuk aplikasi seperti bionik dan biosensing.

“Jika kita memiliki teknologi untuk melacak kesehatan sel-sel yang terisolasi, kita mungkin dapat mendiagnosis dan mengobati penyakit lebih awal dan tidak menunggu sampai seluruh organ rusak,” jelas ketua tim. David Gracias dalam pernyataan pers. “Kita berbicara tentang memasang sesuatu seperti tato elektronik pada benda hidup yang sepuluh kali lebih kecil dari kepala peniti. Ini adalah langkah pertama menuju pemasangan sensor dan elektronik pada sel hidup.”

Terima kasih, Luo Gu dan rekannya telah merancang proses pencetakan nanotransfer tiga tahap untuk mengikat pola nano emas ke sel hidup. Pada langkah pertama, mereka menggunakan litografi nanoimprint konvensional (NIL) untuk mencetak susunan nanodot emas atau kawat nano ke wafer silikon berlapis polimer. Mereka kemudian melarutkan polimer, membebaskan nanoarray untuk dipindahkan ke kaca penutup.

Selanjutnya, para peneliti memfungsikan permukaan emas dengan sistein dan melapisi susunan NIL emas dengan lapisan transfer hidrogel alginat. Mereka menunjukkan bahwa pendekatan ini dapat dengan andal mentransfer susunan nanodot dan kawat nano berukuran 8x8 mm dari kaca ke hidrogel yang lembut dan fleksibel. Pada langkah terakhir, susunan NIL emas dikonjugasikan dengan gelatin untuk memungkinkan transfernya ke sel atau jaringan hidup. Disosiasi lapisan transfer hidrogel kemudian memperlihatkan pola emas.

Para peneliti menyelidiki perilaku sel fibroblas hidup yang diunggulkan ke dalam susunan titik emas berdiameter 250 nm (jarak pusat-ke-pusat 550 nm) atau kabel emas selebar 300 nm (jarak 450 nm) pada hidrogel alginat. Sekitar 24 jam setelah penyemaian, sel-sel pada hidrogel yang dicetak dengan kawat nano lebih disukai bermigrasi sejajar dengan kawat nano, sedangkan sel-sel pada nanodot menunjukkan migrasi acak, namun sedikit lebih cepat. Sel-sel pada kawat nano juga menunjukkan perpanjangan dua kali lipat dari sel-sel pada nanodot. Temuan ini menunjukkan kemampuan susunan NIL emas untuk memandu orientasi dan migrasi sel.

Susunan kawat nano emas dicetak pada otak tikus
Proses biokompatibel Susunan kawat nano emas dicetak pada otak tikus. (Sumber: Kam Sang Kwok dan Soo Jin Choi, Gracias Lab/Universitas Johns Hopkins)

Selain bersifat biokompatibel dengan sel dan jaringan, hidrogel alginat juga dapat mentransfer susunan NIL emas ke organ dan sel hidup. Untuk mendemonstrasikan hal ini, para peneliti menempatkan hidrogel yang dicetak dengan kawat nano pada korteks serebral seluruh otak dan irisan otak bagian coronal.

Setelah 2 jam dalam media kultur dan disosiasi hidrogel, kawat nano tetap terikat pada permukaan seluruh otak. Sebaliknya, kawat nano pada potongan otak tidak melekat, menunjukkan bahwa kekuatan adhesi bervariasi antar jenis sel dan metode kultur yang berbeda. Para peneliti mencatat bahwa penelitian lebih lanjut diperlukan untuk mengkarakterisasi dan mengoptimalkan mekanisme adhesi untuk ikatan jangka panjang yang kuat.

Terakhir, untuk menilai pencetakan biotransfer pada tingkat sel tunggal, para peneliti membiakkan lembaran sel monolayer pada hidrogel alginat yang dicetak dengan susunan NIL emas. Setelah 24 jam, mereka membalik hidrogel yang diunggulkan fibroblas ke dalam kaca penutup berlapis gelatin dan membiarkan sel menempel pada kaca penutup semalaman.

Setelah memisahkan hidrogel alginat, mikroskop fluoresensi mengungkapkan bahwa fibroblas yang berpola nanodot emas memiliki viabilitas sekitar 97%, sedangkan fibroblas yang berpola kawat nano memiliki viabilitas sekitar 98%, menunjukkan bahwa proses pencetakan bersifat biokompatibel dengan sel hidup. Warna reflektif yang terlihat pada lembaran sel fibroblas berpola menunjukkan bahwa bentuk susunan NIL emas dipertahankan.

Proses fabrikasi ini juga kompatibel dengan fotolitografi skala mikro, yang memungkinkan para peneliti membuat bidang heksagonal dan segitiga selebar 200 µm dari susunan NIL emas. Mereka kemudian melakukan biotransfer dan mencetaknya ke lembaran sel, yang menyebabkan pertumbuhan selektif sel fibroblas pada micropatches. Film yang direkam selama 16 jam menunjukkan bahwa sel dengan potongan kawat nano yang tercetak di atasnya tampak sehat dan mampu bermigrasi, dengan susunan tetap berada di sel lunak bahkan saat mereka bergerak.

“Kami telah menunjukkan bahwa kami dapat menempelkan pola nano yang kompleks pada sel hidup, sekaligus memastikan bahwa sel tersebut tidak mati,” kata Gracias. “Ini adalah hasil yang sangat penting bahwa sel dapat hidup dan bergerak dengan tato karena sering kali terdapat ketidakcocokan yang signifikan antara sel hidup dan metode yang digunakan para insinyur untuk membuat perangkat elektronik.”

Gracias dan rekannya menyimpulkan bahwa proses nanopatterning mereka, dikombinasikan dengan teknik mikrofabrikasi standar, “membuka peluang untuk pengembangan substrat kultur sel baru, bahan biohibrid, perangkat bionik, dan biosensor”. Selanjutnya, mereka berencana untuk mencoba memasang sirkuit nano yang lebih kompleks yang dapat bertahan lebih lama, serta bereksperimen dengan berbagai jenis sel.

Stempel Waktu:

Lebih dari Dunia Fisika