นักวิจัย 'สัก' รูปแบบนาโนทองคำบนเซลล์ที่มีชีวิต - Physics World

นักวิจัย 'สัก' รูปแบบนาโนทองคำบนเซลล์ที่มีชีวิต - Physics World

ประทับเวลา: 5 กันยายน 2023 5:00 น.

อาร์เรย์นาโนดอทสีทองบนเซลล์ไฟโบรบลาสต์ที่มีชีวิต
การพิมพ์ลวดลายนาโน อาร์เรย์นาโนดอตสีทองปลอมบนเซลล์ไฟโบรบลาสต์ที่มีชีวิต (เอื้อเฟื้อโดย: Kam Sang Kwok และ Soo Jin Choi จาก Gracias Lab/Johns Hopkins University)

ความสามารถในการผสานอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และเซ็นเซอร์ออปติคัลเข้ากับร่างกายมนุษย์ในระดับเซลล์เดียวอาจทำให้สามารถติดตามและควบคุมเซลล์แต่ละเซลล์จากระยะไกลแบบเรียลไทม์ได้ในวันหนึ่ง ความก้าวหน้าในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทำให้สามารถสร้างทรานซิสเตอร์และเซ็นเซอร์ที่มีความละเอียดระดับนาโนได้ ในขณะที่เทคนิคการสร้างลวดลายนาโนที่เป็นนวัตกรรมใหม่ช่วยให้สามารถประกอบอุปกรณ์เหล่านี้บนพื้นผิวที่ยืดหยุ่นได้ อย่างไรก็ตาม กระบวนการดังกล่าวโดยทั่วไปต้องใช้สารเคมีที่รุนแรง อุณหภูมิสูง หรือเทคนิคสุญญากาศ ซึ่งไม่เหมาะสมกับเซลล์และเนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิต

เพื่อเอาชนะอุปสรรคเหล่านี้ ทีมวิจัยของมหาวิทยาลัย Johns Hopkins ได้พัฒนากระบวนการปลอดสารพิษ มีความละเอียดสูง และคุ้มต้นทุนสำหรับการพิมพ์รูปแบบนาโนทองคำลงบนเนื้อเยื่อและเซลล์ของสิ่งมีชีวิต รายงานการค้นพบของพวกเขาใน จดหมายนาโนพวกเขาแสดงให้เห็นว่าเทคนิคใหม่นี้สามารถ "สัก" เซลล์และเนื้อเยื่อที่มีชีวิตด้วยอาร์เรย์ทองคำนาโนดอตและลวดนาโนที่มีความยืดหยุ่น ท้ายที่สุดแล้ว วิธีการนี้สามารถนำไปใช้เพื่อรวมอุปกรณ์อัจฉริยะเข้ากับเนื้อเยื่อที่มีชีวิตสำหรับการใช้งาน เช่น ไบโอนิคและการตรวจจับทางชีวภาพ

“หากเรามีเทคโนโลยีในการติดตามสุขภาพของเซลล์ที่แยกได้ เราอาจวินิจฉัยและรักษาโรคได้เร็วกว่ามาก และไม่ต้องรอจนกว่าอวัยวะทั้งหมดจะเสียหาย” หัวหน้าทีมอธิบาย เดวิด กราเซียส ในแถลงการณ์ “เรากำลังพูดถึงการติดรอยสักอิเล็กทรอนิกส์บนวัตถุที่มีขนาดเล็กกว่าหัวเข็มหมุดหลายสิบเท่า เป็นขั้นตอนแรกในการติดตั้งเซ็นเซอร์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บนเซลล์ที่มีชีวิต”

ขอบคุณ หลัวกู่ และเพื่อนร่วมงานได้ออกแบบกระบวนการพิมพ์นาโนทรานสเฟอร์สามขั้นตอนเพื่อเชื่อมรูปแบบนาโนทองคำเข้ากับเซลล์ที่มีชีวิต ในขั้นตอนแรก พวกเขาใช้การพิมพ์หินแบบ nanoimprint (NIL) แบบดั้งเดิมเพื่อพิมพ์อาร์เรย์ของ nanodots ทองคำหรือเส้นลวดนาโนลงบนเวเฟอร์ซิลิคอนเคลือบโพลีเมอร์ จากนั้นพวกเขาก็ละลายโพลีเมอร์ ปล่อยนาโนเรย์ออกมาเพื่อถ่ายโอนไปยังแผ่นครอบกระจก

ต่อไป นักวิจัยได้จำลองพื้นผิวทองคำด้วยซีสเตเอมีน และเคลือบอาร์เรย์ NIL ทองคำด้วยชั้นถ่ายโอนไฮโดรเจลอัลจิเนต พวกเขาแสดงให้เห็นว่าวิธีการนี้สามารถถ่ายโอนอาร์เรย์ nanodots และ nanowires ขนาด 8 × 8 มม. จากแก้วไปยังไฮโดรเจลที่อ่อนนุ่มและยืดหยุ่นได้อย่างน่าเชื่อถือ ในขั้นตอนสุดท้าย อาร์เรย์ NIL สีทองจะถูกรวมเข้ากับเจลาตินเพื่อให้สามารถถ่ายโอนไปยังเซลล์หรือเนื้อเยื่อที่มีชีวิตได้ การแยกชั้นถ่ายโอนไฮโดรเจลออกแล้วเผยให้เห็นลวดลายสีทอง

นักวิจัยได้ตรวจสอบพฤติกรรมของเซลล์ไฟโบรบลาสต์ที่มีชีวิตบนอาร์เรย์ของจุดทองขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 250 นาโนเมตร (ระยะห่างจากศูนย์กลางถึงศูนย์กลาง 550 นาโนเมตร) หรือลวดทองกว้าง 300 นาโนเมตร (ระยะห่าง 450 นาโนเมตร) บนไฮโดรเจลอัลจิเนต ประมาณ 24 ชั่วโมงหลังหยอดเมล็ด เซลล์บนไฮโดรเจลที่พิมพ์ด้วยเส้นนาโนควรจะย้ายออกไปขนานกับเส้นลวดนาโน ในขณะที่เซลล์บนนาโนดอตแสดงการย้ายถิ่นแบบสุ่ม แต่เร็วกว่าเล็กน้อย เซลล์บนเส้นลวดนาโนยังแสดงการยืดตัวของเซลล์บนเส้นนาโนประมาณสองเท่าอีกด้วย การค้นพบนี้แสดงให้เห็นถึงความสามารถของอาร์เรย์ NIL ทองคำเพื่อเป็นแนวทางในการวางแนวเซลล์และการย้ายถิ่น

อาร์เรย์ลวดนาโนสีทองพิมพ์บนสมองของหนู
กระบวนการที่เข้ากันได้ทางชีวภาพ อาร์เรย์ลวดนาโนสีทองพิมพ์บนสมองของหนู (เอื้อเฟื้อโดย: Kam Sang Kwok และ Soo Jin Choi จาก Gracias Lab/Johns Hopkins University)

นอกจากจะเข้ากันได้ทางชีวภาพกับเซลล์และเนื้อเยื่อแล้ว อัลจิเนตไฮโดรเจลยังสามารถถ่ายโอนอาร์เรย์ NIL ที่เป็นทองคำไปยังอวัยวะและเซลล์ของสิ่งมีชีวิตอีกด้วย เพื่อสาธิตสิ่งนี้ นักวิจัยได้วางไฮโดรเจลที่พิมพ์ด้วยลวดนาโนไว้บนเปลือกสมองของสมองทั้งหมดและชิ้นสมองส่วนโคโรนัล

หลังจากผ่านไป 2 ชั่วโมงในอาหารเลี้ยงเชื้อและการแยกตัวของไฮโดรเจล เส้นลวดนาโนยังคงยึดติดกับพื้นผิวของสมองทั้งหมด ในทางตรงกันข้าม เส้นลวดนาโนบนชิ้นสมองไม่เกาะติดกัน แสดงให้เห็นว่าความแข็งแรงของการยึดเกาะแตกต่างกันไปตามประเภทเซลล์และวิธีการเพาะเลี้ยง นักวิจัยตั้งข้อสังเกตว่าจำเป็นต้องมีการศึกษาเพิ่มเติมเพื่อกำหนดลักษณะและเพิ่มประสิทธิภาพกลไกการยึดเกาะเพื่อการยึดเกาะที่แข็งแกร่งในระยะยาว

สุดท้าย เพื่อประเมินการพิมพ์การถ่ายโอนทางชีวภาพในระดับเซลล์เดียว นักวิจัยได้เพาะเลี้ยงแผ่นเซลล์ชั้นเดียวบนไฮโดรเจลอัลจิเนตที่พิมพ์ด้วยอาร์เรย์ NIL ที่เป็นทองคำ หลังจากผ่านไป 24 ชั่วโมง พวกมันพลิกไฮโดรเจลที่มีเมล็ดไฟโบรบลาสต์ไปบนแผ่นปิดที่เคลือบด้วยเจลาติน และปล่อยให้เซลล์ยึดติดกับแผ่นปิดคลุมข้ามคืน

หลังจากแยกไฮโดรเจลอัลจิเนตออก กล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนซ์เผยให้เห็นว่าไฟโบรบลาสต์ที่มีลวดลายด้วยนาโนดอตสีทองมีความมีชีวิตประมาณ 97% ในขณะที่ไฟโบรบลาสต์ที่มีลวดลายด้วยลวดนาโนมีความมีชีวิตประมาณ 98% ซึ่งบ่งชี้ว่ากระบวนการพิมพ์สามารถเข้ากันได้ทางชีวภาพกับเซลล์ที่มีชีวิต สีสะท้อนแสงที่เห็นบนแผ่นเซลล์ไฟโบรบลาสต์ที่มีลวดลายบ่งบอกว่ารูปร่างของอาร์เรย์ NIL สีทองยังคงอยู่

กระบวนการผลิตยังเข้ากันได้กับการถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์ด้วยกล้องจุลทรรศน์ ซึ่งช่วยให้นักวิจัยสามารถสร้างแผ่น NIL ทองคำรูปหกเหลี่ยมและสามเหลี่ยมขนาดกว้าง 200 µm ได้ จากนั้นพวกเขาก็พิมพ์ biotransfer พิมพ์สิ่งเหล่านี้ลงบนแผ่นเซลล์ ซึ่งนำไปสู่การเจริญเติบโตของเซลล์ไฟโบรบลาสต์แบบเลือกสรรบนไมโครแพตช์ ภาพยนตร์ที่บันทึกนานกว่า 16 ชั่วโมงแสดงให้เห็นว่าเซลล์ที่มีเส้นลวดนาโนพิมพ์อยู่ด้านบนดูมีสุขภาพดีและสามารถเคลื่อนย้ายได้ โดยที่อาร์เรย์ยังคงอยู่บนเซลล์อ่อนแม้ในขณะที่พวกมันเคลื่อนไหว

“เราได้แสดงให้เห็นว่าเราสามารถแนบรูปแบบนาโนที่ซับซ้อนเข้ากับเซลล์ที่มีชีวิตได้ ในขณะเดียวกันก็ทำให้มั่นใจได้ว่าเซลล์จะไม่ตาย” Gracias กล่าว “ผลลัพธ์ที่สำคัญมากคือการที่เซลล์สามารถมีชีวิตอยู่และเคลื่อนไหวได้ด้วยรอยสัก เพราะมักจะมีความเข้ากันไม่ได้อย่างมีนัยสำคัญระหว่างเซลล์ที่มีชีวิตกับวิธีที่วิศวกรใช้ในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์”

Gracias และเพื่อนร่วมงานสรุปว่ากระบวนการสร้างลวดลายนาโนของพวกเขารวมกับเทคนิคการผลิตไมโครแฟบริเคชั่นมาตรฐาน "เปิดโอกาสสำหรับการพัฒนาพื้นผิวการเพาะเลี้ยงเซลล์ วัสดุไบโอไฮบริด อุปกรณ์ไบโอนิค และไบโอเซนเซอร์ใหม่" ถัดไป พวกเขาวางแผนที่จะพยายามติดวงจรนาโนที่ซับซ้อนมากขึ้น ซึ่งสามารถคงอยู่ได้เป็นระยะเวลานานขึ้น เช่นเดียวกับการทดลองกับเซลล์ประเภทต่างๆ

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์