Raziskovalci 'tetovirajo' zlate nanovzorce na žive celice – Svet fizike

Raziskovalci 'tetovirajo' zlate nanovzorce na žive celice – Svet fizike

Časovni žig: 5. september 2023 5

Niz zlatih nanotočk na živi celici fibroblasta
Tiskanje nano vzorcev Umetno obarvan niz zlatih nanotočk na živi celici fibroblasta. (Z dovoljenjem: Kam Sang Kwok in Soo Jin Choi, Gracias Lab/Univerza Johns Hopkins)

Sposobnost združitve elektronike in optičnih senzorjev s človeškim telesom na ravni ene celice bi lahko nekega dne omogočila daljinsko spremljanje in nadzor posameznih celic v realnem času. Napredek pri izdelavi elektronike je omogočil ustvarjanje tranzistorjev in senzorjev z ločljivostjo v nanometrskem merilu, medtem ko inovativne tehnike oblikovanja nanovzorcev omogočajo sestavljanje teh naprav na prožne podlage. Takšni procesi pa na splošno zahtevajo ostre kemikalije, visoke temperature ali vakuumske tehnike, ki niso primerne za žive celice in tkiva.

Za premagovanje teh ovir je raziskovalna skupina na univerzi Johns Hopkins razvila nestrupen, visokoločljiv in stroškovno učinkovit postopek za tiskanje zlatih nanovzorcev na živa tkiva in celice. Poročanje o svojih ugotovitvah v Nano Pisma, dokazujejo, da lahko nova tehnika "tetovira" žive celice in tkiva s prilagodljivimi nizi zlatih nanotočk in nanožic. Navsezadnje bi lahko metodo uporabili za integracijo pametnih naprav z živim tkivom za aplikacije, kot sta bionika in biosenzor.

»Če bi imeli tehnologije za sledenje zdravju izoliranih celic, bi morda lahko diagnosticirali in zdravili bolezni veliko prej in ne čakali, da se poškoduje celoten organ,« pojasnjuje vodja skupine. David Gracias v izjavi za javnost. »Govorimo o postavitvi nečesa podobnega elektronskemu tatuju na živi predmet, ki je desetkrat manjši od glavice bucike. To je prvi korak k pritrditvi senzorjev in elektronike na žive celice.«

Hvala, Luo Gu in sodelavci so zasnovali tristopenjski postopek nanotransfernega tiskanja za lepljenje zlatih nanovzorcev na žive celice. V prvem koraku so uporabili običajno litografijo z nanoimprintom (NIL) za tiskanje nizov zlatih nanopik ali nanožic na s polimerom prevlečene silicijeve rezine. Nato so raztopili polimer in tako sprostili nanoniže za prenos na steklena pokrovna stekelca.

Nato so raziskovalci funkcionalizirali zlato površino s cisteaminom in prevlekli zlate NIL-nize s prenosno plastjo alginatnega hidrogela. Pokazali so, da bi ta pristop lahko zanesljivo prenesel 8 × 8 mm nize nanotočk in nanožic iz stekla na mehke in prožne hidrogele. V zadnjem koraku so zlate NIL-nize konjugirane z želatino, da se omogoči njihov prenos na žive celice ali tkiva. Ločitev prenosne plasti hidrogela nato izpostavi zlati vzorec.

Raziskovalci so raziskovali obnašanje živih fibroblastnih celic, zasejanih na nize zlatih pik s premerom 250 nm (razmik od središča do središča 550 nm) ali zlate žice širine 300 nm (razmik 450 nm) na alginatnih hidrogelih. Približno 24 ur po setvi so celice na hidrogelu, natisnjenem z nanožicami, po možnosti migrirale vzporedno z nanožicami, medtem ko so tiste na nanotočkah pokazale naključno, a nekoliko hitrejšo migracijo. Celice na nanožicah so imele tudi približno dvakrat večji raztezek kot tiste na nanotočkah. Te ugotovitve dokazujejo sposobnost zlatih NIL-nizov za usmerjanje celične orientacije in migracije.

Niz zlatih nanožic, natisnjen na podganjih možganih
Biokompatibilen postopek Niz zlatih nanožic, natisnjen na podganjih možganih. (Z dovoljenjem: Kam Sang Kwok in Soo Jin Choi, Gracias Lab/Univerza Johns Hopkins)

Poleg tega, da je biokompatibilen s celicami in tkivi, lahko alginatni hidrogel tudi prenese zlate NIL-nize na žive organe in celice. Da bi to dokazali, so raziskovalci postavili hidrogele, natisnjene z nanožicami, na možgansko skorjo celih možganov in rezine koronalnih možganov.

Po 2 urah v gojišču in disociaciji hidrogela so nanožice ostale vezane na površino celih možganov. Nasprotno pa se nanožice na možganski rezini niso prilepile, kar kaže na to, da se adhezijska moč razlikuje med različnimi vrstami celic in metodami kulture. Raziskovalci ugotavljajo, da so potrebne nadaljnje študije za karakterizacijo in optimizacijo adhezijskih mehanizmov za robustno dolgoročno lepljenje.

Nazadnje, da bi ocenili tiskanje biotransferja na ravni ene celice, so raziskovalci gojili enoslojne celične liste na alginatnih hidrogelih, natisnjenih z zlatimi NIL-matrikami. Po 24 urah so hidrogele, posejane s fibroblasti, obrnili na pokrovna stekelca, prevlečena z želatino, in pustili, da se celice čez noč pritrdijo na pokrovna stekelca.

Po disociaciji alginatnega hidrogela je fluorescenčna mikroskopija pokazala, da imajo fibroblasti z vzorci z zlatimi nanotočkami sposobnost preživetja približno 97 %, medtem ko imajo tisti z vzorcem nanožic približno 98 % sposobnost preživetja, kar kaže, da je postopek tiskanja biokompatibilen z živimi celicami. Odsevne barve, vidne na vzorčasti celični plošči fibroblastov, nakazujejo, da je bila oblika zlate NIL-matrike ohranjena.

Postopek izdelave je združljiv tudi s fotolitografijo v mikroskopskem merilu, kar je raziskovalcem omogočilo ustvariti 200 µm široke šestkotne in trikotne zaplate zlatih nizov NIL. Nato so jih z biotransferjem natisnili na celične liste, kar je vodilo do selektivne rasti celic fibroblastov na mikroobližih. Filmi, posneti več kot 16 ur, so pokazali, da so celice z zaplatami nanožic, natisnjenimi na vrhu, videti zdrave in sposobne migrirati, pri čemer so nizi ostali na mehkih celicah, tudi ko so se premikale.

»Pokazali smo, da lahko na žive celice pritrdimo zapletene nanovzorce, hkrati pa zagotovimo, da celica ne odmre,« pravi Gracias. "Zelo pomemben rezultat je, da lahko celice živijo in se premikajo s tetovažami, ker pogosto obstaja precejšnja nezdružljivost med živimi celicami in metodami, ki jih inženirji uporabljajo za izdelavo elektronike."

Gracias in sodelavci sklepajo, da njihov proces oblikovanja nanovzorcev v kombinaciji s standardnimi tehnikami mikrofabrikacije "odpira priložnosti za razvoj novih substratov za celične kulture, biohibridnih materialov, bioničnih naprav in biosenzorjev". Nato nameravajo poskusiti pritrditi bolj zapletena nanovezja, ki lahko ostanejo na mestu dlje časa, ter eksperimentirati z različnimi vrstami celic.

Časovni žig:

Več od Svet fizike