Um método para imprimir objetos 3-D que podem controlar organismos vivos de maneiras previsíveis foi desenvolvido por uma equipe interdisciplinar de pesquisadores no MIT e em outros lugares. A técnica pode levar à impressão 3D de ferramentas biomédicas, como chaves personalizadas, que incorporam células vivas para produzir compostos terapêuticos, como analgésicos ou tratamentos tópicos, dizem os pesquisadores.

O novo desenvolvimento foi liderado pelo professor associado do MIT Media Lab, Neri Oxman, e pelos alunos de graduação Rachel Soo Hoo Smith, Christoph Bader, e Sunanda Sharma, junto com seis outros no MIT e no Wyss Institute da Harvard University e no Dana-Farber Cancer Institute. O sistema é descrito em artigo publicado recentemente na revista. Materiais Funcionais Avançados .

"Nós os chamamos de materiais vivos híbridos, ou HLMs, "Smith diz. Para seus experimentos de prova de conceito iniciais, a equipe incorporou com precisão vários produtos químicos no processo de impressão 3-D. Esses produtos químicos agem como sinais para ativar certas respostas em micróbios projetados biologicamente, que são revestidos por spray no objeto impresso. Uma vez adicionado, os micróbios exibem cores específicas ou fluorescência em resposta aos sinais químicos.

Em seu estudo, a equipe descreve a aparência desses padrões coloridos em uma variedade de objetos impressos, que eles dizem que demonstra a incorporação bem-sucedida das células vivas na superfície do material impresso em 3-D, e a ativação das células em resposta aos produtos químicos colocados seletivamente.

O objetivo é fazer uma ferramenta de design robusta para a produção de objetos e dispositivos que incorporam elementos biológicos vivos, feito de uma forma que é previsível e escalável como outros processos de fabricação industrial.

A equipe usa um processo de várias etapas para produzir seus materiais vivos híbridos. Primeiro, eles usam uma impressora 3-D baseada em jato de tinta multimaterial disponível comercialmente, e receitas personalizadas para as combinações de resinas e sinais químicos usados ​​para impressão. Por exemplo, eles descobriram que um tipo de resina, normalmente usado apenas para produzir um suporte temporário para partes pendentes de uma estrutura impressa e, em seguida, dissolvido após a impressão, poderia produzir resultados úteis ao ser misturado com o material de resina estrutural. As partes da estrutura que incorporam este material de suporte tornam-se absorventes e são capazes de reter os sinais químicos que controlam o comportamento dos organismos vivos.

Finalmente, a camada viva é adicionada:um revestimento de superfície de hidrogel - um material gelatinoso composto principalmente de água, mas fornecendo uma estrutura de rede estável e durável - é infundido com bactérias projetadas biologicamente e aplicado por spray no objeto.

"Podemos definir formas e distribuições muito específicas dos materiais vivos híbridos e dos produtos biossintetizados, sejam eles cores ou agentes terapêuticos, dentro das formas impressas, "Smith diz. Algumas dessas formas de teste iniciais foram feitas como discos do tamanho de um dólar de prata, e outros na forma de máscaras coloridas, com as cores fornecidas pelas bactérias vivas dentro de sua estrutura. As cores levam várias horas para se desenvolver à medida que as bactérias crescem, e, em seguida, permanecem estáveis ​​quando estão no lugar.

"Existem aplicações práticas interessantes com esta abordagem, uma vez que os designers agora são capazes de controlar e padronizar o crescimento de sistemas vivos por meio de um algoritmo computacional, "Oxman diz." Combinando design computacional, manufatura aditiva, e biologia sintética, a plataforma HLM aponta para o impacto de longo alcance que essas tecnologias podem ter em campos aparentemente díspares, 'animar' o design e o espaço do objeto. "

A plataforma de impressão usada pela equipe permite que as propriedades do material do objeto impresso sejam variadas de forma precisa e contínua entre as diferentes partes da estrutura, com algumas seções mais rígidas e outras mais flexíveis, e alguns mais absorventes e outros repelentes de líquidos. Tais variações podem ser úteis no projeto de dispositivos biomédicos que podem fornecer força e suporte ao mesmo tempo que são macios e flexíveis para fornecer conforto em locais onde estão em contato com o corpo.

A equipe incluiu especialistas em biologia, Bioengenharia, e a ciência da computação para criar um sistema que produza padrões previsíveis do comportamento biológico em todo o objeto impresso, apesar dos efeitos de fatores como a difusão de produtos químicos pelo material. Por meio da modelagem de computador desses efeitos, os pesquisadores produziram um software que, segundo eles, oferece níveis de precisão comparáveis ​​aos sistemas de design assistido por computador (CAD) usados ​​para sistemas tradicionais de impressão 3-D.

A plataforma de impressão 3-D multiresin pode usar de três a sete resinas diferentes com propriedades diferentes, misturado em qualquer proporção. Em combinação com a engenharia biológica sintética, isso torna possível projetar objetos com superfícies biológicas que podem ser programados para responder de maneiras específicas a determinados estímulos, como luz ou temperatura ou sinais químicos, de maneiras que são reproduzíveis, mas completamente personalizáveis, e isso pode ser produzido sob demanda, dizem os pesquisadores.

"No futuro, os pigmentos incluídos nas máscaras podem ser substituídos por substâncias químicas úteis para aumento humano, como vitaminas, anticorpos ou drogas antimicrobianas, "Oxman diz." Imagine, por exemplo, uma interface vestível projetada para orientar a formação de antibióticos ad-hoc personalizada para se ajustar à composição genética de seu usuário. Ou, considere embalagens inteligentes que podem detectar contaminação, ou skins arquitetônicos ambientalmente responsáveis ​​que podem responder e se adaptar - em tempo real - às sugestões ambientais. "

Em seus testes, a equipe usou bactérias E. coli geneticamente modificadas, porque eles crescem rapidamente e são amplamente usados ​​e estudados, mas, em princípio, outros organismos também podem ser usados, dizem os pesquisadores.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.