Onderzoekers 'tatoeëren' gouden nanopatronen op levende cellen - Physics World

Onderzoekers 'tatoeëren' gouden nanopatronen op levende cellen - Physics World

Tijdstempel: 5 september 2023 5:00 uur

Gouden nanodot-array op een levende fibroblastcel
Nanopatronen printen Valsgekleurde gouden nanodot-array op een levende fibroblastcel. (Met dank aan: Kam Sang Kwok en Soo Jin Choi, Gracias Lab/Johns Hopkins University)

De mogelijkheid om elektronica en optische sensoren op eencellig niveau met het menselijk lichaam samen te voegen, zou op een dag realtime monitoring en controle op afstand van individuele cellen mogelijk kunnen maken. Vooruitgang in de elektronicafabricage heeft het mogelijk gemaakt om transistors en sensoren met een resolutie op nanoschaal te creëren, terwijl innovatieve nanopatroontechnieken de assemblage van deze apparaten op flexibele substraten mogelijk maken. Dergelijke processen vereisen echter over het algemeen agressieve chemicaliën, hoge temperaturen of vacuümtechnieken die ongeschikt zijn voor levende cellen en weefsels.

Om deze obstakels te overwinnen heeft een onderzoeksteam van de Johns Hopkins Universiteit een niet-giftig, kosteneffectief proces met hoge resolutie ontwikkeld voor het printen van gouden nanopatronen op levend weefsel en cellen. Het rapporteren van hun bevindingen in Nano LettersDemonstreren ze dat de nieuwe techniek levende cellen en weefsels kan ‘tatoeëren’ met flexibele reeksen gouden nanodots en nanodraden. Uiteindelijk zou de methode gebruikt kunnen worden om slimme apparaten te integreren met levend weefsel voor toepassingen als bionica en biosensoren.

“Als we technologieën hadden om de gezondheid van geïsoleerde cellen te volgen, zouden we ziekten misschien veel eerder kunnen diagnosticeren en behandelen en niet kunnen wachten tot het hele orgaan beschadigd is”, legt teamleider uit. David Gracias in een persverklaring. “We hebben het over het plaatsen van zoiets als een elektronische tatoeage op een levend voorwerp dat tientallen keren kleiner is dan de punt van een speld. Het is de eerste stap in de richting van het bevestigen van sensoren en elektronica op levende cellen.”

Dank je wel, Luo Gu en collega's hebben een driefasig nanotransfer-printproces ontworpen om gouden nanopatronen aan levende cellen te binden. In de eerste stap gebruikten ze conventionele nano-imprint-lithografie (NIL) om reeksen gouden nanodots of nanodraden op met polymeer gecoate siliciumwafels te printen. Vervolgens losten ze het polymeer op, waardoor de nanoarrays vrijkwamen voor overdracht op glazen dekglaasjes.

Vervolgens hebben de onderzoekers het goudoppervlak gefunctionaliseerd met cysteamine en de gouden NIL-arrays bedekt met een alginaathydrogeloverdrachtslaag. Ze toonden aan dat deze aanpak op betrouwbare wijze arrays van nanodots en nanodraden van 8 x 8 mm van het glas naar de zachte en flexibele hydrogels kon overbrengen. In de laatste stap worden de gouden NIL-arrays geconjugeerd met gelatine om hun overdracht naar levende cellen of weefsel mogelijk te maken. Door de hydrogeloverdrachtslaag te dissociëren wordt vervolgens het goudpatroon blootgelegd.

De onderzoekers onderzochten het gedrag van levende fibroblastcellen die waren gezaaid op reeksen van gouden stippen met een diameter van 250 nm (550 nm hart-op-hart afstand) of 300 nm brede gouddraden (450 nm afstand) op alginaathydrogels. Ongeveer 24 uur na het zaaien migreerden de cellen op de met nanodraden bedrukte hydrogel bij voorkeur parallel aan de nanodraden, terwijl die op de nanodots een willekeurige, maar iets snellere migratie vertoonden. Cellen op de nanodraden vertoonden ook ongeveer tweemaal de verlenging van die op de nanodots. Deze bevindingen demonstreren het vermogen van de gouden NIL-arrays om celoriëntatie en migratie te begeleiden.

Gouden nanodraadarray gedrukt op het brein van een rat
Biocompatibel proces Gouden nanodraadarray gedrukt op het brein van een rat. (Met dank aan: Kam Sang Kwok en Soo Jin Choi, Gracias Lab/Johns Hopkins University)

Alginaathydrogel is niet alleen biocompatibel met cellen en weefsels, maar kan ook gouden NIL-arrays overbrengen naar levende organen en cellen. Om dit aan te tonen plaatsten de onderzoekers met nanodraden bedrukte hydrogels op de hersenschors van een heel brein en een coronale hersenschijf.

Na 2 uur in kweekmedia en dissociatie van de hydrogel bleven de nanodraden gebonden aan het oppervlak van de hele hersenen. Daarentegen hechtten de nanodraden op het hersenplakje niet, wat suggereert dat de adhesiesterkte varieert tussen verschillende celtypen en kweekmethoden. De onderzoekers merken op dat verder onderzoek nodig is om de adhesiemechanismen voor robuuste langdurige bindingen te karakteriseren en te optimaliseren.

Om biotransferprinten op het niveau van een enkele cel te beoordelen, kweekten de onderzoekers ten slotte monolaagcelvellen op gouden NIL-array-gedrukte alginaathydrogels. Na 24 uur draaiden ze de met fibroblasten gezaaide hydrogels om op met gelatine gecoate dekglaasjes en lieten de cellen zich een nacht aan de dekglaasjes hechten.

Na het dissociëren van de alginaathydrogel onthulde fluorescentiemicroscopie dat fibroblasten met een patroon van gouden nanodots een levensvatbaarheid hadden van ongeveer 97%, terwijl die met een patroon met nanodraden een levensvatbaarheid hadden van ongeveer 98%, wat aangeeft dat het printproces biocompatibel is met levende cellen. Reflecterende kleuren op het fibroblastcelblad met patroon suggereren dat de vorm van de gouden NIL-array behouden bleef.

Het fabricageproces is ook compatibel met fotolithografie op microschaal, waardoor de onderzoekers 200 µm brede zeshoekige en driehoekige stukken gouden NIL-arrays konden creëren. Vervolgens printten ze deze via biotransfer op celvellen, wat leidde tot selectieve groei van fibroblastcellen op de micropatches. Films die gedurende 16 uur werden opgenomen, toonden aan dat cellen met stukjes nanodraden erop gedrukt er gezond uitzagen en in staat waren te migreren, waarbij de arrays op de zachte cellen bleven, zelfs als ze bewogen.

“We hebben laten zien dat we complexe nanopatronen aan levende cellen kunnen hechten, en er tegelijkertijd voor kunnen zorgen dat de cel niet afsterft”, zegt Gracias. "Het is een heel belangrijk resultaat dat de cellen kunnen leven en bewegen met de tatoeages, omdat er vaak een aanzienlijke incompatibiliteit bestaat tussen levende cellen en de methoden die ingenieurs gebruiken om elektronica te fabriceren."

Gracias en collega's concluderen dat hun nanopatroonvormingsproces, gecombineerd met standaard microfabricagetechnieken, "mogelijkheden opent voor de ontwikkeling van nieuwe celcultuursubstraten, biohybride materialen, bionische apparaten en biosensoren". Vervolgens zijn ze van plan om te proberen complexere nanocircuits aan te sluiten die langere tijd op hun plaats kunnen blijven, en om te experimenteren met verschillende soorten cellen.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld