«Носимую технику», которая внедряется в тело человека, уже не считают фантастикой. А теперь благодаря использованию естественной реакции бактерий на определенный раздражитель, носимая техника может работать и без электричества.
В Массачусетском технологическом институте активно занимаются всевозможными инновациями. Портфель материалов, разрабатываемых МТИ, пополнился «умными живыми чернилами». Совсем недавно ученые-исследователи из МТИ разработали биочернила на основе живых клеток, которые используются для 3D печати. Это по-настоящему «умные чернила», меняющие на 180 градусов представления о медицине, электронике и в целом использовании 3D технологий.
Бактериальные чернила для 3D принтера были разработаны создателями роботизированных мягких перчаток, используемых для рыбалки. Исследования связаны с именами таких ученых как профессор Ксуан Жхао и доктор Тимоти Лу. Они трудятся в лаборатории, разрабатывающей мягкие активные материалы. Эти ученые провели исследования в области программирования генно-инженерных бактерий. Чтобы подтвердить свою концепцию ученые использовали биочернила с бактериями, измененными на генетическом уровне так, что при взаимодействии с химическим сигналом определенного рода они начинали светиться.
Чернила выполнены из специальных ингредиентов, которые подобраны так, чтобы в совокупности составлять идеальную среду для живых клеток. Гидрогельная основа смешана с фотосенсибилизатором, который гарантирует схватывание, гранулами клеток бактерий, питательными веществами и деионизированной водой.
Первые попытки не принесли нужного результата, так как сначала ученые использовали клетки млекопитающих, которые не выдерживали процесс 3D печати и погибали. Дело в том, как пояснили ученые, что эти клетки – это по сути двуслойные липидные пузыри, то есть слишком слабы и склонны к легкому разрушению. Были подобраны иные, которыми оказались бактериальные клетки – они отвечали всем требованиям. Стенки бактерий очень прочны и выдерживают значительное давление, которое возникает в ходе 3D печати. Кроме того они прекрасно живут в водной гидрогельной среде.
В ходе исследований бактериальные клетки были подвергнуты генетической модификации таким образом, что, как реакция на определенный химический сигнал, клетками начиналась выработка флуоресцентных белков зеленого цвета.
Для начала ученые спроектировали в SOLIDWORKS и CADfusion геометрические структуры в виде квадрата, пирамиды, пирамиды с пустотами и полусферы. Затем они в программе обработали их слайсером и передали на 3Д принтер, который живыми чернилами на базе бактерий осуществил печать. В результате получились небольшие фигурки, но невооруженный глаз их прекрасно видит. Размеры фигур составляли 3см, а точность печати 30мкм.
Для 3D печати была использована Aerotech — технология трехосевого роботизированного нанесения. Печать осуществлялась без создания определенных температурных условий. Чернила на основе гидрогеля из УФ-непроницаемого корпуса шприца подавались в рабочую зону при помощи форсунок, диаметр которых составлял 30-250мкм. Слой биочернил был нанесен на перекрестную матрицу, чтобы обеспечить жизнеспособность клеток и их чувствительность к живой сети. В дальнейшем гидрогель подвергался УФ-облучению, благодаря чему образовывалось перекрестное химическое соединение. В конце процесса биочернила помещались в условия с высокой влажностью.
Чтобы продемонстрировать, как можно при помощи сигнальных химикатов активировать выработку флуоресцентных белков на разных поверхностях, была напечатана пирамида, в которой были использованы разные штаммы бактерий.
В ходе опытов структуры подвергались воздействиям химического сигнала, что провоцировало окрашивание определенных частей пирамиды: макушка и нижняя часть пирамиды становились зелеными, а боковые части не меняли начального красного цвета.
Ученые пошли дальше и создали «живую татуировку». На базе трех видов гидрогельных чернил на основе разных штаммов бактерий, были напечатаны татуировки, которые отражают определенные химические сигналы, присутствующие на коже человека.
Татуировка была выполнена в виде древовидного рисунка, нанесенного на тонкий эластомер. После печати татуировка была наклеена на кожу. Отдельные ветви татуировки светились, в зависимости от присутствия химического раздражителя на коже, на который реагировали бактерии.
Также можно найти применение живым чернилам в сфере медицины. В частности такие чернила, а точнее бактериальные клетки в них, могут применяться как рабочие на фабрике. Генная инженерия позволяет добиться того, что под воздействием определенного реагента клетки будут вырабатывать лекарства в 3D платформе, и их можно использовать не только как подкожное устройство. Пока будет удаваться поддерживать жизнеспособность бактерий, можно использовать данный метод для печати имплантатов или продуктов питания.
3D печать живыми гидрогельными чернилами может также использоваться и в области компьютеров. В частности, можно заменить электронное взаимодействие микрокомпонентов в чипах, на запрограммированное взаимодействие клеток и химреагентов. В результате можно решать логические задачи и выполнять булевские операции.
В классической схеме на вводе присутствуют элементы, которым будет соответствовать значение 0 или 1. Линии чернил можно расположить таким образом, что данным значениям будет соответствовать наличие активных компонентов или их отсутствие. То же самое можно сделать и на выводе, то есть наличие соответствующих белков будет соответствовать 1 или 0. Это значит, что есть возможность запрограммировать материал.
В общей структуре материала каждая единичная клетка может выполнять вычислительную операцию. Но если объединить эти клетки в пространстве в определенную трехмерную структуру, то взаимодействие на разных участках может рождать информационные структуры, способные решать очень сложные задачи. Это значит, что посредством живых чернил можно создавать трехмерные химические детекторы и логические вентили.
