研究人员将金纳米图案“纹身”到活细胞上 – 物理世界

研究人员将金纳米图案“纹身”到活细胞上 – 物理世界

时间戳记：5年2023月5日上午00:XNUMX

活成纤维细胞上的金纳米点阵列
打印纳米图案 活成纤维细胞上的假色金纳米点阵列。 （由 Kam Sang Kwok 和 Soo Jin Choi，Gracias 实验室/约翰·霍普金斯大学提供）

在单细胞水平上将电子和光学传感器与人体融合的能力有一天可以实现对单个细胞的实时远程监控和控制。 电子制造的进步使得制造具有纳米级分辨率的晶体管和传感器成为可能，而创新的纳米图案化技术使得这些设备能够在柔性基板上组装。 然而，此类过程通常需要不适用于活细胞和组织的刺激性化学品、高温或真空技术。

为了克服这些障碍，约翰霍普金斯大学的一个研究小组开发了一种无毒、高分辨率且经济高效的工艺，用于将金纳米图案印刷到活体组织和细胞上。 报告他们的发现 纳米快报，他们证明新技术可以用灵活的金纳米点和纳米线阵列“纹身”活细胞和组织。 最终，该方法可用于将智能设备与活体组织集成，用于仿生学和生物传感等应用。

“如果我们有技术来跟踪孤立细胞的健康状况，我们也许可以更早地诊断和治疗疾病，而不是等到整个器官受损，”团队负责人解释道 大卫·格拉西亚斯 在一份新闻声明中。 “我们正在讨论在比大头针头小数十倍的活体物体上放置电子纹身之类的东西。 这是将传感器和电子器件附着在活细胞上的第一步。”

谢谢， 洛古 和同事设计了一种三阶段纳米转移印刷工艺，将金纳米图案粘合到活细胞上。 第一步，他们使用传统的纳米压印光刻（NIL）将金纳米点或纳米线阵列印刷到聚合物涂层的硅晶片上。 然后他们溶解聚合物，释放纳米阵列以转移到玻璃盖玻片上。

接下来，研究人员用半胱胺对金表面进行功能化，并在金 NIL 阵列上涂上藻酸盐水凝胶转移层。 他们表明，这种方法可以可靠地将 8 × 8 mm 纳米点和纳米线阵列从玻璃转移到柔软且有弹性的水凝胶上。 在最后一步中，金 NIL 阵列与明胶结合，使其能够转移到活细胞或组织上。 解离水凝胶转移层然后暴露金图案。

研究人员研究了将活成纤维细胞接种到藻酸盐水凝胶上直径 250 nm 的金点（中心间距 550 nm）或 300 nm 宽的金线（间距 450 nm）阵列上的行为。 接种后约 24 小时，纳米线印刷水凝胶上的细胞优选平行于纳米线迁移，而纳米点上的细胞表现出随机但稍快的迁移。 纳米线上的细胞也表现出大约是纳米点上细胞的两倍的伸长率。 这些发现证明了金 NIL 阵列引导细胞定向和迁移的能力。

金纳米线阵列打印在大鼠大脑上
生物相容性工艺 金纳米线阵列打印在大鼠大脑上。 （由约翰·霍普金斯大学 Gracias 实验室 Kam Sang Kwok 和 Soo Jin Choi 提供）

除了与细胞和组织具有生物相容性外，藻酸盐水凝胶还可以将金 NIL 阵列转移到活体器官和细胞上。 为了证明这一点，研究人员将纳米线印刷的水凝胶放置在整个大脑和冠状脑切片的大脑皮层上。

在培养基中放置 2 小时并且水凝胶解离后，纳米线仍然与整个大脑的表面结合。 相反，脑切片上的纳米线没有粘附，这表明不同细胞类型和培养方法之间的粘附强度有所不同。 研究人员指出，需要进一步研究来表征和优化粘合机制，以实现牢固的长期粘合。

最后，为了评估单细胞水平的生物转移打印，研究人员在金 NIL 阵列打印的藻酸盐水凝胶上培养单层细胞片。 24小时后，他们将接种有成纤维细胞的水凝胶翻转到涂有明胶的盖玻片上，让细胞附着在盖玻片上过夜。

解离藻酸盐水凝胶后，荧光显微镜显示，用金纳米点图案化的成纤维细胞的活力约为 97%，而用纳米线图案化的成纤维细胞的活力约为 98%，表明打印过程与活细胞具有生物相容性。 在图案化的成纤维细胞片上看到的反射颜色表明金 NIL 阵列的形状被保留。

该制造工艺还与微型光刻技术兼容，这使得研究人员能够创建 200 µm 宽的六边形和三角形金 NIL 阵列贴片。 然后他们将这些生物转移印刷到细胞片上，导致成纤维细胞在微贴片上选择性生长。 录制超过 16 小时的视频显示，顶部印有纳米线片的细胞看起来很健康，并且能够迁移，即使在移动时，阵列仍保留在软细胞上。

“我们已经证明，我们可以将复杂的纳米图案附着到活细胞上，同时确保细胞不会死亡，”格拉西亚斯说。 “细胞可以随着纹身一起生存和移动，这是一个非常重要的结果，因为活细胞和工程师用来制造电子产品的方法之间通常存在显着的不相容性。”

Gracias 及其同事得出的结论是，他们的纳米图案化工艺与标准微加工技术相结合，“为开发新的细胞培养基质、生物混合材料、仿生设备和生物传感器开辟了机会”。 接下来，他们计划尝试连接更复杂的纳米电路，这些纳米电路可以在原地停留更长时间，并对不同类型的细胞进行实验。

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