Onderzoekers printen 3D-objecten van levende cellen

Onderzoekers zijn erin geslaagd genetisch geprogrammeerde levende cellen te printen met behulp van een 3D-printer. De cellen zijn geprogrammeerd om op te lichten indien zij een bepaalde chemische of moleculaire samenstelling detecteren. De onderzoekers zien uiteenlopende toepassingen voor hun techniek, variërend van draagbare sensoren tot implantaten die over een langere periode gefaseerd een bepaalde stof afgeven.

De techniek is ontwikkeld door een team van onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT). De onderzoekers hebben bacteriële cellen gecombineerd met een hydrogel en voedingsstoffen voor de cellen tot een materiaal dat met behulp van een 3D-printer kan worden geprint. Het materiaal maakt het mogelijk een driedimensionaal object te creëren dat reageert op een bepaalde chemische of moleculaire samenstelling. De specifieke samenstelling waarop de cellen reageren kan worden bepaald door de cellen vooraf aan het printproces genetisch te programmeren.

Levende tatoeage

Het team heeft zijn techniek gedemonstreerd met behulp van wat zij een ‘levende tatoeage’ noemen. Hierbij hebben de onderzoekers een dunne transparante pleister van elastomeer geprint, waarin met behulp van levende cellen de vorm van een boom wordt weergegeven. De boom bestaat uit drie verschillende takken. Iedere tak is geprint met levende cellen die zijn geprogrammeerd om te reageren op een andere chemische of moleculaire samenstelling. De pleister kan op de menselijke huid worden geplakt en reageert indien de huid is blootgesteld aan de chemische of moleculaire waarvoor de cellen zijn geprogrammeerd. Aan de hand van het deel van de cellen dat oplicht, kan worden afgeleid aan welke samenstelling de cellen zijn blootgesteld. 

Het materiaal is geprint met behulp van een op maat gemaakte 3D-printer. Deze printer bestaat uit standaard componenten die in veel Fused Deposit Modelling (FDM) gebaseerde 3D-printers worden gebruikt in combinatie met enkele componenten die door het team op maat zijn ontwikkeld.

Draagbare sensoren en medische toepassingen

De onderzoekers voorzien uiteenlopende toepassingen voor hun techniek. Zo kan de techniek gebruikt worden om draagbare sensoren of interactieve schermen te maken die gebruikers waarschuwen voor bepaalde veranderingen. De levende cellen kunnen hiervoor worden geprogrammeerd om te reageren op de aanwezigheid van bepaalde chemicaliën of vervuiling, maar ook op veranderingen in temperatuur of pH-waarde. Ook denken de onderzoekers aan medische toepassingen, bijvoorbeeld voor het creëren van implantaten of medicijnen die zelfstandig bepaalde stoffen zoals glucose kunnen aanmaken en deze gefaseerd over een langere tijd kunnen vrijgeven. 

In de verre toekomst verwachten de onderzoekers dat hun techniek kan bijdragen aan de creatie van ‘levende computers’. Dit zijn computersystemen die zijn opgebouwd uit verschillende soorten levende cellen die met elkaar kunnen communiceren en signalen kunnen doorgeven. Dit lijkt op de wijze waarop meerdere transistors op een hedendaagse microchip met elkaar samenwerken.

Waarom bacteriële cellen?

Het is niet voor het eerst dat er wordt geëxperimenteerd met het 3D-printen van levende cellen. Zo wijzen de onderzoekers erop dat dit eerder is geprobeerd met behulp van cellen van zoogdieren. Deze cellen bleken echter minder geschikt; vooral de kwetsbaarheid van cellen van zoogdieren bleek een belangrijke beperking te zijn. Deze kwetsbaarheid is een probleem aangezien het materiaal wordt geprint met behulp van een FDM gebaseerde 3D-printer, waarbij het printmateriaal – ook wel filament genoemd – met enige kracht door de spuitmond wordt geduwd. Hyunwoo Yuk, een student van het MIT die betrokken was bij het project, legt uit: “Het bleek dat deze cellen stierven tijdens het printproces, aangezien cellen van zoogdieren in feite dubbele lipide ballonnen zijn.” Dit maakt de cellen volgens Yuk te zwak en scheurbaar om met behulp van een 3D-printer te printen. 

De onderzoekers van het MIT hebben daarom bewust gekozen voor bacteriële cellen, aangezien deze een sterkere celwand hebben en beter bestand zijn tegen relatief zware omstandigheden dan cellen van zoogdieren. Een andere belangrijke reden om voor bacteriële cellen te kiezen was de mogelijkheid deze cellen te combineren met allerlei hydrogellen, iets wat bij cellen van zoogdieren minder het geval is. Hydrogel is een gelachtig materiaal dat bestaat uit een combinatie van water en polymeer. Onderzoek van het MIT wijst uit dat hydrogel een omgeving kan vormen waarin bacteriën kunnen leven indien hier voedingsstoffen aan worden toegevoegd. 

In de onderstaande video lichten de onderzoekers van het MIT hun uitvinding toe.

Auteur: Wouter Hoeffnagel
Bron: MIT
Bron foto: Pixabay / qimono