Un "tatuaje viviente" impreso en 3D

Esta nueva técnica de impresión 3D desarrollada por investigadores del MIT podría ser utilizada para desarrollar implantes o robots ingeribles que proporcionen a los pacientes las sustancias o fármacos necesarios en respuesta al estimulo apropiado.

12 de diciembre de 2017

Un equipo de ingenieros del MIT acaba de desarrollar una innovadora técnica de impresión tridimensional que utiliza un nuevo tipo de tinta fabricada a partir de células vivas genéticamente programadas. Estas células combinadas en una suspensión de hidrogel y nutrientes se pueden imprimir capa por capa para formar estructuras y dispositivos tridimensionales interactivos.

El modo en que el equipo ha dejado patente la eficacia de esta nueva técnica a sido mediante la impresión de un "tatuaje viviente" en piel humana. Se trata de un parche delgado y transparente en el cual se encuentran embebidas una serie de células de bacterias vivas que se disponen en estructura de árbol. Cada rama de este árbol está llena de células sensibles a un compuesto químico o molecular motivando que, cuando el parche se adhiere a la piel, pueda reaccionar a la presencia de ciertos compuestos emitiendo una respuesta lumínica.

Los investigadores defienden que esta técnica pionera puede utilizarse para fabricar materiales "activos" en una gran variedad de dispositivos. Dichos materiales pueden modelarse con células vivas diseñadas para detectar sustancias químicas y contaminantes ambientales, así como cambios en el pH y la temperatura.

Bacterias: una alternativa resistente

En los últimos años, los científicos han explorado una gran variedad de materiales receptivos -es decir, que reaccionan ante un estímulo- como base para las tintas impresas en 3D. Es el caso de tintas compuestas a partir de polímeros sensibles a la temperatura para imprimir objetos que cambian de forma como respuesta a un cambio de temperatura. Otro ejemplo podemos encontrarlo en estructuras fotoactivadas de polímeros que se contraen y se estiran en respuesta a la luz.

Los materiales del "tatuaje vivo" pueden integrar células que detectar sustancias, contaminantes ambientales, así como cambios de pH y temperatura

El equipo se dio cuenta de que las células vivas también podrían servir como materiales receptivos para las tintas impresas en 3D ya que pueden modificarse genéticamente para responder a una variedad de estímulos. Los investigadores del MIT no son los primeros en considerar las células de ingeniería genética tridimensionales; otros han intentado hacerlo utilizando células de mamíferos vivos, pero con poco éxito. "Resulta que esas células estaban muriendo durante el proceso de impresión, porque las células de mamíferos son básicamente globos de bicapa lipídica", declara Hyunwoo Yuk, coautor del estudio. "Son demasiado débiles y se rompen fácilmente".

Las células bacterianas, sin embargo, tienen paredes celulares resistentes que pueden sobrevivir a condiciones relativamente duras, como las fuerzas aplicadas a la tinta cuando se empuja a través de la boquilla de una impresora. Además, las bacterias, a diferencia de las células de mamíferos, son compatibles con la mayoría de los hidrogeles, materiales semejantes a los geles que están hechos de una mezcla de agua y una mezcla de polímeros. El grupo descubrió que los hidrogeles pueden proporcionar un ambiente acuoso en el que se pueden desarrollar bacterias vivas.

Los investigadores llevaron a cabo una prueba de detección para identificar el tipo de hidrogel que mejor hospedaría las células bacterianas. Después de una búsqueda exhaustiva, se encontró que un hidrogel con ácido plurónico era el material más compatible. El hidrogel también exhibió una consistencia ideal para la impresión tridimensional. "Este hidrogel tiene características de flujo ideales para imprimir a través de una boquilla", explica Xuanhe Zhao, uno de los directores del estudio. "Es como sacar la pasta de dientes de un tubo. Una pasta que conserva su forma despues de ser impresa."

Desde tatuajes hasta ordenadores vivos

Para probar su parche, los investigadores imprimieron su tatuaje sobre la piel de un voluntario que fue expuesta a varios estímulos. Durante varias horas, las ramas del árbol del tatuaje se iluminaron cuando las bacterias detectaron los correspondientes estímulos químicos a los que se suponía debían reaccionar, demostrando la completa viabilidad de su nueva técnica.

El equipo de Zhao fue un paso más allá, diseñando a su vez un dispositivo en el cual un grupo de bacterias pudiera comunicarse entre sí

Sin embargo el equipo de Zhao fue un paso más allá, diseñando a su vez un dispositivo en el cual un grupo de bacterias pudiera comunicarse entre sí. De este modo programaron algunas celdas para que se iluminaran solo cuando reciban cierta señal de otra celda, es decir, desencadenada por las bacterias de las celdas vecinas. Para probar este tipo de comunicación en una estructura 3-D, imprimieron una delgada lámina de filamentos de hidrogel con "entrada", o bacterias y productos químicos productores de señal, superpuestos con otra capa de filamentos de "salida" o bacterias de recepción de señal . Encontraron que los filamentos de salida se iluminaban solo cuando se superponían y recibían señales de entrada de las bacterias correspondientes.

Yuk afirma que en el futuro los investigadores podrán usar esta técnica para imprimir "computadoras vivas": estructuras con múltiples tipos de células que se comunican entre sí, transmitiendo señales hacia adelante y atrás, al igual que los transistores en un microchip. "Este es un trabajo muy futuro, pero esperamos poder imprimir plataformas computacionales vivas que puedan ser viables", relata el investigador.

Su técnica se puede usar para fabricar implantes quirúrgicos con células productoras de sustancias que se liberarán a lo largo del tiempo

Más a corto plazo, los investigadores pretenden fabricar sensores personalizados, en forma de parches y pegatinas flexibles que podrían ser diseñados para detectar una variedad de compuestos químicos y moleculares. También imaginan que su técnica se puede usar para fabricar cápsulas de fármacos e implantes quirúrgicos, que contienen células producidas por ingeniería genética como la glucosa, que se liberarán terapéuticamente a lo largo del tiempo.

"Podemos usar células bacterianas como trabajadores de una fábrica 3-D". Se pueden diseñar para producir fármacos dentro de un andamio 3-D, y las aplicaciones no deben limitarse a los dispositivos epidérmicos. Siempre que el método de fabricación y el enfoque sean viables, deberían ser posibles aplicaciones tales como implantes o estructuras comestibles".

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