Eine 3D-gedruckte lebende Struktur. (Joshi et al., Nature Communications, 2021) Wir haben gesehen, wie der 3D-Druck bestimmte Herstellungsprozesse revolutionieren kann – ob auf der Erde oder irgendwo anders – aber es gibt ein wachsendes Forschungsfeld, das nach Möglichkeiten sucht, dies auch auf die Herstellung lebender, biologischer Strukturen anzuwenden.
In einer neuen Studie haben Wissenschaftler eine neue Art von „lebender Tinte“ oder Bioink beschrieben, die aus programmierten Materialien hergestellt wird Escherichia coli Bakterienzellen, die 3D-gedruckt werden können, um Hydrogele in unterschiedlichen Formen zu erzeugen, die je nach Herstellung unterschiedliche Arten von Arzneimitteln freisetzen oder Giftstoffe absorbieren.
Was diesen Ansatz von früheren Bioinks unterscheidet, besteht darin, dass er genetische Programmierung nutzt, um die mechanischen Eigenschaften der Tinte selbst zu steuern – was zu besseren Endergebnissen im fertigen Material und praktischeren Einsatzmöglichkeiten der Tinte führt (einige vorhandene Bioinks funktionieren nicht richtig). Raumtemperatur).
Beispiele für den gedruckten Bioink. (Joshi et al., Nature Communications, 2021)
„In einem Baum sind Zellen eingebettet, und er entwickelt sich vom Samen zum Baum, indem er Ressourcen aus seiner Umgebung aufnimmt, um diese strukturbildenden Programme umzusetzen.“ sagt der Chemiebiologe Neel Joshi von der Northeastern University in Massachusetts.
„Was wir tun wollen, ist etwas Ähnliches, aber wir stellen diese Programme in Form von DNA, die wir schreiben, und Gentechnik bereit.“
Die Funktionsweise besteht darin, die Bakterienzellen biotechnologisch zu verändern, um lebende Nanofasern zu erzeugen. Der E coli Zellen wurden mit anderen Substanzen kombiniert, um die Fasern zu erzeugen, wobei ein von ihm inspirierter chemischer Prozess zum Einsatz kam Fibrin – ein Protein, das eine Schlüsselrolle bei Blutgerinnseln bei Säugetieren spielt.
Diese proteinbasierten Nanofasern können dann einem 3D-Drucker zugeführt und in verschiedene Formen gebracht werden. Im Gegensatz zu früheren Bioinks werden bei diesem keine künstlichen Substanzen verwendet, sondern es ist vollständig biologisch. Es lässt sich wie eine Zahnpasta auspressen, behält dann aber seine Form, wenn man es vor dem Austrocknen bewahrt.
Bisher wurde die Technik zur Herstellung sehr kleiner Objekte verwendet: eines Kreises, eines Quadrats und eines Kegels. Doch nachdem die Wissenschaftler nun gezeigt haben, dass die mikrobielle Tinte auf diese Weise in 3D gedruckt werden kann, eröffnen sich weitere Möglichkeiten für die Zukunft.
„Wenn Sie den ganzen Kegel nehmen und ihn in eine Glukoselösung tauchen würden, würden die Zellen diese Glukose fressen, mehr aus dieser Faser herstellen und den Kegel zu etwas Größerem wachsen lassen.“ sagt Joshi .
„Es besteht die Möglichkeit, die Tatsache zu nutzen, dass es dort lebende Zellen gibt.“ „Man kann die Zellen aber auch einfach abtöten und sie als inertes Material verwenden.“
In Experimenten gelang es dem Team, seinen Bioink mit anderen Mikroben zu kombinieren, um bestimmte Aufgaben zu erfüllen: zum Beispiel die Aufnahme giftiger Chemikalien oder die Abgabe eines Anti-Antikörpers. Krebs Arzneimittel. In Zukunft könnte die Tinte auch so konstruiert werden, dass sie sich selbst reproduziert, sagen die Forscher.
Diese Studie baut darauf auf vorherige Arbeit vom selben Team, schauen Sie sich an, wie E coli Zellen könnten zu einem Hydrogel geformt werden, das sich selbst reproduziert, wenn es mit einem bestimmten Gewebe in Kontakt kommt – was eine neue und nachhaltige Herstellungsmethode eröffnet, die auf andere angewendet werden könnte der Mond Und Mars sowie hier auf der Erde.
Obwohl der 3D-druckbare Bioink bisher nur in kleinem Maßstab eingesetzt wurde, könnte er in der Zukunft letztendlich für alles Mögliche eingesetzt werden, vom Aufbau selbstheilender Strukturen bis hin zur Herstellung von Flaschenverschlüssen, die gefährliche Chemikalien aus Wasser entfernen können.
„Die Biologie kann Ähnliches leisten“ sagt Joshi . „Denken Sie an den Unterschied zwischen den flexiblen Haaren und den Hörnern eines Hirsches oder eines Nashorns oder so etwas.“ Sie bestehen aus ähnlichen Materialien, haben aber sehr unterschiedliche Funktionen. Die Biologie hat herausgefunden, wie man diese mechanischen Eigenschaften mithilfe einer begrenzten Anzahl von Bausteinen anpassen kann.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Naturkommunikation .