חוקרים 'מקעקעים' דפוסי ננו מזהב על תאים חיים - עולם הפיזיקה

חוקרים 'מקעקעים' דפוסי ננו מזהב על תאים חיים - עולם הפיזיקה

חותמת זמן: 5 בספטמבר 2023 5:00

מערך ננו-דוט זהב על תא פיברובלסט חי
הדפסת ננו-דפוסים מערך ננו-דוט זהב בצבע שווא על תא פיברובלסט חי. (באדיבות: Kam Sang Kwok ו-Soo Jin Choi, Gracias Lab/Johns Hopkins University)

היכולת למזג אלקטרוניקה וחיישנים אופטיים עם גוף האדם ברמת תא בודד תוכל יום אחד לאפשר ניטור ושליטה מרחוק על תאים בודדים בזמן אמת. ההתקדמות בייצור האלקטרוניקה אפשרה ליצור טרנזיסטורים וחיישנים ברזולוציה ננומטרית, בעוד שטכניקות חדשניות של ננו-דפוס מאפשרות הרכבה של מכשירים אלו על מצעים גמישים. עם זאת, תהליכים כאלה דורשים בדרך כלל כימיקלים קשים, טמפרטורות גבוהות או טכניקות ואקום שאינן מתאימות לתאים ורקמות חיים.

כדי להתגבר על מכשולים אלה, צוות מחקר מאוניברסיטת ג'ונס הופקינס פיתח תהליך לא רעיל, ברזולוציה גבוהה וחסכוני להדפסת ננו-דפוסי זהב על רקמות ותאים חיים. דיווח על ממצאיהם ב מדעי Nano Letters, הם מדגימים שהטכניקה החדשה יכולה "לקעקע" תאים ורקמות חיים עם מערכים גמישים של ננו-נקודות וננו-חוטי זהב. בסופו של דבר, השיטה יכולה לשמש לשילוב מכשירים חכמים עם רקמה חיה עבור יישומים כגון ביוניקה וביוסנסינג.

"אם היו לנו טכנולוגיות לעקוב אחר בריאותם של תאים מבודדים, יכולנו אולי לאבחן ולטפל במחלות הרבה יותר מוקדם ולא לחכות עד שהאיבר כולו ייפגע", מסביר ראש הצוות דיוויד גרסיאס בהצהרה לעיתונות. "אנחנו מדברים על לשים משהו כמו קעקוע אלקטרוני על חפץ חי קטן פי עשרות מונים מראש סיכה. זה הצעד הראשון לקראת חיבור חיישנים ואלקטרוניקה על תאים חיים".

תודה, לואו גו ועמיתיו עיצבו תהליך הדפסת ננו-טרנספר תלת-שלבי לחיבור ננו-דפוסי זהב לתאים חיים. בשלב הראשון, הם השתמשו בליטוגרפיה קונבנציונלית של ננו-אימפינט (NIL) כדי להדפיס מערכים של ננו-נקודות או ננו-חוטים מזהב על גבי פרוסות סיליקון מצופה פולימר. לאחר מכן הם המסו את הפולימר, ושחררו את מערכי הננו להעברה על גבי כיסויי זכוכית.

לאחר מכן, החוקרים תיפקדו את משטח הזהב עם ציסטיאמין וציפו את מערכי ה-NIL הזהב בשכבת העברת הידרוג'ל אלגינט. הם הראו שגישה זו יכולה להעביר בצורה מהימנה מערכים בגודל 8 × 8 מ"מ של ננו-נקודות וננו-חוטים מהזכוכית אל ההידרוג'לים הרכים והגמישים. בשלב האחרון, מערכי NIL הזהב מצומדים עם ג'לטין כדי לאפשר העברתם לתאים חיים או רקמה. ניתוק שכבת העברת ההידרוג'ל ואז חושף את תבנית הזהב.

החוקרים חקרו את ההתנהגות של תאי פיברובלסט חיים שנזרעו על מערכים של נקודות זהב בקוטר 250 ננומטר (550 ננומטר ממרכז למרכז) או חוטי זהב ברוחב 300 ננומטר (מרווח של 450 ננומטר) על הידרוג'לים של אלגינט. בסביבות 24 שעות לאחר הזריעה, תאים על ההידרוג'ל המודפס ננו-חוטי רצוי נדדו במקביל לננו-חוטים, ואילו אלו על הננו-נקודות הציגו נדידה אקראית, אך מעט מהירה יותר. תאים על הננו-חוטים גם הפגינו התארכות כפולה בערך מאלה שעל הננו-נקודות. ממצאים אלה מדגימים את יכולתם של מערכי NIL הזהב להנחות את התמצאות התא והגירה.

מערך ננו-חוטי זהב מודפס על מוח של חולדה
תהליך ביו-תואם מערך ננו-חוטי זהב מודפס על מוח של חולדה. (באדיבות: Kam Sang Kwok ו-Soo Jin Choi, Gracias Lab/Johns Hopkins University)

בנוסף להיותו תואם ביולוגי עם תאים ורקמות, הידרוג'ל אלגינט יכול גם להעביר מערכי NIL מזהב על איברים ותאים חיים. כדי להדגים זאת, החוקרים מיקמו הידרוג'לים מודפסים בננו-תיל על קליפת המוח של מוח שלם ופרוסת מוח עטרה.

לאחר 2 שעות במדיית תרבות ופירוק ההידרוג'ל, הננו-חוטים נותרו קשורים לפני השטח של המוח כולו. לעומת זאת, ננו-חוטים על פרוסת המוח לא נדבקו, מה שמרמז על כך שעוצמת ההידבקות משתנה בין סוגי תאים ושיטות תרבית שונות. החוקרים מציינים כי נדרשים מחקרים נוספים כדי לאפיין ולייעל מנגנוני הידבקות לחיבור חזק לטווח ארוך.

לבסוף, כדי להעריך הדפסה ביולוגית ברמת תא בודד, החוקרים תרבית גיליונות תאים חד-שכבתיים על גבי אלגינט הידרוג'ל זהב מודפס במערך NIL. לאחר 24 שעות, הם הפכו את ההידרוג'לים עם זרעי פיברובלסט על גבי כיסויי כיסוי מצופים בג'לטין והניחו לתאים להיצמד לכיסויים למשך הלילה.

לאחר ניתוק ההידרוג'ל של האלגינט, מיקרוסקופיה פלואורסצנטית גילתה שלפיברובלסטים בדוגמת ננו-נקודות זהב יש כדאיות של כ-97%, בעוד לאלו עם דוגמה של ננו-חוטים הייתה כדאיות של כ-98%, מה שמצביע על כך שתהליך ההדפסה תואם ביולוגית לתאים חיים. צבעים רפלקטיביים שנראו על גיליון תאי הפיברובלסט המעוצב מרמזים על כך שצורת מערך ה-NIL הזהב נשמרה.

תהליך הייצור תואם גם לפוטוליתוגרפיה בקנה מידה מיקרו, שאפשרה לחוקרים ליצור טלאים משושה ומשולשים ברוחב של 200 מיקרון של מערכי NIL מזהב. לאחר מכן הם הביאו-טרנספר הדפיסו את אלה על גבי גיליונות תאים, מה שהוביל לצמיחה סלקטיבית של תאי פיברובלסט על המיקרו-טלאים. סרטים שהוקלטו במשך 16 שעות הראו שתאים עם כתמים של ננו-חוטים מודפסים מלמעלה נראו בריאים ומסוגלים לנדוד, כשהמערכים נשארים על התאים הרכים גם בזמן שהם נעים.

"הראינו שאנחנו יכולים לחבר דפוסי ננו מורכבים לתאים חיים, תוך הבטחה שהתא לא ימות", אומר גרסיאס. "זו תוצאה חשובה מאוד שהתאים יכולים לחיות ולנוע עם הקעקועים מכיוון שלעתים קרובות יש חוסר התאמה משמעותי בין תאים חיים לבין השיטות שהמהנדסים משתמשים לייצור אלקטרוניקה".

Gracias ועמיתיו מסיקים שתהליך ה-nanopattern שלהם, בשילוב עם טכניקות מיקרו-ייצור סטנדרטיות, "פותח הזדמנויות לפיתוח מצעים חדשים של תרבית תאים, חומרים ביו-היברידיים, מכשירים ביונים וחיישנים ביולוגיים". בשלב הבא, הם מתכננים לנסות לחבר ננו-מעגלים מורכבים יותר שיכולים להישאר במקומם לתקופות ארוכות יותר, וכן להתנסות בסוגים שונים של תאים.

בול זמן:

עוד מ עולם הפיזיקה