Un equipo interdisciplinario de investigadores del MIT y otros lugares ha desarrollado un método para imprimir objetos en 3-D que puede controlar organismos vivos de formas predecibles. La técnica puede llevar a la impresión en 3D de herramientas biomédicas, como aparatos ortopédicos personalizados, que incorporan células vivas para producir compuestos terapéuticos como analgésicos o tratamientos tópicos, dicen los investigadores.

El nuevo desarrollo fue dirigido por el profesor asociado del MIT Media Lab Neri Oxman y los estudiantes graduados Rachel Soo Hoo Smith, Christoph Bader, y Sunanda Sharma, junto con otros seis en el MIT y en el Instituto Wyss de la Universidad de Harvard y el Instituto del Cáncer Dana-Farber. El sistema se describe en un artículo publicado recientemente en la revista Materiales funcionales avanzados .

"Los llamamos materiales vivos híbridos, o HLM, "Dice Smith. Para sus experimentos iniciales de prueba de concepto, el equipo incorporó con precisión varios productos químicos en el proceso de impresión 3D. Estos productos químicos actúan como señales para activar ciertas respuestas en microbios diseñados biológicamente, que se recubren con spray sobre el objeto impreso. Una vez agregado, los microbios muestran colores específicos o fluorescencia en respuesta a las señales químicas.

En su estudio, el equipo describe la apariencia de estos patrones de colores en una variedad de objetos impresos, que dicen demuestra la incorporación exitosa de las células vivas en la superficie del material impreso en 3-D, y la activación de las células en respuesta a los productos químicos colocados selectivamente.

El objetivo es hacer una herramienta de diseño robusta para producir objetos y dispositivos que incorporen elementos biológicos vivos, fabricado de una manera tan predecible y escalable como otros procesos de fabricación industrial.

El equipo utiliza un proceso de varios pasos para producir sus materiales vivos híbridos. Primero, utilizan una impresora 3D basada en inyección de tinta multimaterial disponible en el mercado, y recetas personalizadas para las combinaciones de resinas y señales químicas utilizadas para la impresión. Por ejemplo, encontraron que un tipo de resina, normalmente se utiliza solo para producir un soporte temporal para las partes que sobresalen de una estructura impresa y luego se disuelve después de la impresión, podría producir resultados útiles si se mezcla con el material de resina estructural. Las partes de la estructura que incorporan este material de soporte se vuelven absorbentes y son capaces de retener las señales químicas que controlan el comportamiento de los organismos vivos.

Finalmente, se agrega la capa viva:una capa superficial de hidrogel — un material gelatinoso compuesto principalmente de agua pero que proporciona una estructura de celosía estable y duradera — se infunde con bacterias biológicamente diseñadas y se rocía sobre el objeto.

"Podemos definir formas y distribuciones muy específicas de los materiales vivos híbridos y los productos biosintetizados, ya sean colorantes o agentes terapéuticos, dentro de las formas impresas, "Dice Smith. Algunas de estas formas de prueba iniciales se hicieron como discos del tamaño de un dólar de plata, y otros en forma de mascarillas de colores, con los colores proporcionados por las bacterias vivas dentro de su estructura. Los colores tardan varias horas en desarrollarse a medida que crecen las bacterias. y luego permanecer estables una vez que estén en su lugar.

"Hay interesantes aplicaciones prácticas con este enfoque, Dado que los diseñadores ahora pueden controlar y modelar el crecimiento de los sistemas vivos a través de un algoritmo computacional, "Dice Oxman." Combinando el diseño computacional, fabricación aditiva, y biología sintética, la plataforma HLM apunta hacia el impacto de gran alcance que estas tecnologías pueden tener en campos aparentemente dispares, el diseño 'vivificante' y el espacio de objetos ".

La plataforma de impresión que utilizó el equipo permite variar de forma precisa y continua las propiedades del material del objeto impreso entre diferentes partes de la estructura, con algunas secciones más rígidas y otras más flexibles, y algunos más absorbentes y otros repelentes de líquidos. Tales variaciones podrían ser útiles en el diseño de dispositivos biomédicos que pueden proporcionar fuerza y ​​soporte al mismo tiempo que son suaves y flexibles para brindar comodidad en los lugares donde están en contacto con el cuerpo.

El equipo incluía especialistas en biología, bioingeniería, y la informática para crear un sistema que produzca patrones predecibles del comportamiento biológico en el objeto impreso, a pesar de los efectos de factores como la difusión de productos químicos a través del material. A través del modelado por computadora de estos efectos, los investigadores produjeron software que, según dicen, ofrece niveles de precisión comparables a los sistemas de diseño asistido por computadora (CAD) utilizados para los sistemas de impresión 3D tradicionales.

La plataforma de impresión 3-D multiresin puede utilizar de tres a siete resinas diferentes con diferentes propiedades, mezclado en cualquier proporción. En combinación con la ingeniería biológica sintética, esto hace posible diseñar objetos con superficies biológicas que se pueden programar para responder de formas específicas a estímulos particulares como la luz o la temperatura o señales químicas, de formas que sean reproducibles pero completamente personalizables, y que se puede producir bajo demanda, dicen los investigadores.

"En el futuro, los pigmentos incluidos en las mascarillas se pueden reemplazar con sustancias químicas útiles para el aumento humano, como las vitaminas, anticuerpos o fármacos antimicrobianos, "Oxman dice". Imagínese, por ejemplo, una interfaz portátil diseñada para guiar la formación de antibióticos ad-hoc personalizada para adaptarse a la composición genética de su usuario. O, considerar envases inteligentes que puedan detectar la contaminación, o diseños arquitectónicos sensibles al medio ambiente que pueden responder y adaptarse, en tiempo real, a las señales ambientales ".

En sus pruebas, el equipo utilizó bacterias E. coli modificadas genéticamente, porque crecen rápidamente y son ampliamente utilizados y estudiados, pero en principio también se podrían utilizar otros organismos, dicen los investigadores.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.