Дослідники «татуюють» золоті нановізерунки на живих клітинах – Physics World

Дослідники «татуюють» золоті нановізерунки на живих клітинах – Physics World

Мітка часу: 5 вересня 2023 р., 5:00

Золотий масив наноточок на живій клітині фібробласта
Друк нанопаттернів Масив наноточок золота штучного кольору на живій клітині фібробласту. (З дозволу: Кам Санг Квок і Су Джин Чой, лабораторія Gracias/Університет Джона Гопкінса)

Здатність об’єднати електроніку та оптичні датчики з людським тілом на рівні однієї клітини може одного разу забезпечити дистанційний моніторинг і контроль окремих клітин у реальному часі. Досягнення у виробництві електроніки зробили можливим створення транзисторів і датчиків із нанорозмірною роздільною здатністю, а інноваційні методи створення нанопаттернів дозволяють збирати ці пристрої на гнучких підкладках. Однак такі процеси, як правило, вимагають агресивних хімікатів, високих температур або вакуумних методів, які непридатні для живих клітин і тканин.

Щоб подолати ці перешкоди, дослідницька група з Університету Джона Хопкінса розробила нетоксичний, високороздільний і економічно ефективний процес друку золотих нановізерунків на живих тканинах і клітинах. Повідомляючи про свої висновки в Нано листи, вони демонструють, що нова техніка може «татуювати» живі клітини та тканини гнучкими масивами золотих наноточок і нанодротів. Зрештою, цей метод може бути використаний для інтеграції розумних пристроїв із живою тканиною для таких програм, як біоніка та біосенсор.

«Якби у нас були технології для відстеження здоров’я ізольованих клітин, ми могли б діагностувати та лікувати захворювання набагато раніше, а не чекати, поки весь орган буде пошкоджено», — пояснює керівник групи. Девід Грасіас у заяві для преси. «Ми говоримо про нанесення чогось на зразок електронного татуювання на живий об’єкт, розмір якого в десятки разів менший за головку шпильки. Це перший крок до прикріплення датчиків та електроніки до живих клітин».

Спасибі, Ло Гу і його колеги розробили триетапний процес нанотрансферного друку для прикріплення золотих нановізерунків до живих клітин. На першому етапі вони використовували звичайну наноімпринт-літографію (NIL), щоб надрукувати масиви золотих наноточок або нанодротів на кремнієві пластини з полімерним покриттям. Потім вони розчинили полімер, звільнивши наноматриці для перенесення на скляні покривні скельця.

Далі дослідники функціоналізували поверхню золота цистеаміном і покрили золоті NIL-матриці шаром перенесення альгінатного гідрогелю. Вони показали, що цей підхід може надійно перенести масиви наноточок і нанодротів розміром 8 × 8 мм зі скла на м’які та гнучкі гідрогелі. На останньому етапі золоті NIL-матриці кон’югують з желатином, щоб забезпечити їх перенесення на живі клітини або тканини. Відокремлення шару перенесення гідрогелю відкриває золотий малюнок.

Дослідники досліджували поведінку живих клітин фібробластів, посіяних на масиви золотих точок діаметром 250 нм (відстань від центру до центру 550 нм) або золотих дротів шириною 300 нм (відстань 450 нм) на альгінатних гідрогелях. Приблизно через 24 години після посіву клітини на гідрогелі, надрукованому на нанодротах, переважно мігрували паралельно нанодротам, тоді як клітини на наноточках демонстрували випадкову, але трохи швидшу міграцію. Клітини на нанодротах також показали приблизно вдвічі більше видовження, ніж клітини на наноточках. Ці відкриття демонструють здатність золотих NIL-матриць керувати орієнтацією та міграцією клітин.

Масив золотих нанодротів, надрукований на мозку щура
Біосумісний процес Масив золотих нанодротів, надрукований на мозку щура. (З дозволу: Кам Санг Квок і Су Джин Чой, лабораторія Gracias/Університет Джона Гопкінса)

Крім біосумісності з клітинами та тканинами, альгінатний гідрогель також може переносити золоті NIL-матриці на живі органи та клітини. Щоб продемонструвати це, дослідники розташували гідрогелі, надруковані на нанодротах, на корі головного мозку цілого мозку та його коронального зрізу.

Після 2 годин у культуральному середовищі та дисоціації гідрогелю нанонитки залишалися приєднаними до поверхні всього мозку. Навпаки, нанодроти на зрізі мозку не прилипли, що свідчить про те, що сила адгезії різна для різних типів клітин і методів культивування. Дослідники відзначають, що необхідні подальші дослідження, щоб охарактеризувати та оптимізувати механізми адгезії для міцного довгострокового з’єднання.

Нарешті, щоб оцінити біотрансферний друк на рівні однієї клітини, дослідники культивували моношарові клітинні листи на альгінатних гідрогелях, надрукованих золотим NIL-матрицею. Через 24 години вони перевернули засіяні фібробластами гідрогелі на покривні скельця, вкриті желатином, і дали клітинам прикріпитися до покривних скель протягом ночі.

Після дисоціації альгінатного гідрогелю флуоресцентна мікроскопія показала, що фібробласти з візерунком із золотими наноточками мали життєздатність приблизно 97%, а фібробласти з візерунком з нанодротами мали життєздатність приблизно 98%, що вказує на те, що процес друку є біосумісний із живими клітинами. Світловідбиваючі кольори, які можна побачити на клітинному аркуші фібробластів з малюнком, свідчать про те, що форма золотого NIL-матриці була збережена.

Процес виготовлення також сумісний з мікромасштабною фотолітографією, яка дозволила дослідникам створити шестикутні та трикутні ділянки золотих NIL-матриць шириною 200 мкм. Потім вони біотрансфером надрукували їх на клітинних аркушах, що призвело до вибіркового росту клітин фібробластів на мікропатчах. Відео, записані протягом 16 годин, показали, що клітини з надрукованими нагорі ділянками нанодротів виглядають здоровими та здатними до міграції, причому масиви залишаються на м’яких клітинах, навіть коли вони рухаються.

«Ми показали, що можемо прикріплювати складні наноматеріни до живих клітин, гарантуючи, що клітина не загине», — говорить Грасіас. «Це дуже важливий результат, що клітини можуть жити і рухатися разом з татуюваннями, оскільки часто існує значна несумісність між живими клітинами та методами, які інженери використовують для виготовлення електроніки».

Грасіас і його колеги дійшли висновку, що їхній процес створення нанопаттернів у поєднанні зі стандартними методами мікрофабрикації «відкриває можливості для розробки нових субстратів клітинних культур, біогібридних матеріалів, біонічних пристроїв і біосенсорів». Далі вони планують спробувати приєднати більш складні наносхеми, які можуть залишатися на місці довше, а також експериментувати з різними типами клітин.

Часова мітка:

Більше від Світ фізики