Ingenieure haben Tätowierungen im Nanomaßstab entwickelt – Punkte und Drähte, die an lebenden Zellen haften – ein Durchbruch, der Forscher der Verfolgung der Gesundheit einzelner Zellen einen Schritt näher bringt.
Die neue Technologie ermöglicht erstmals die Platzierung optischer Elemente oder Elektronik auf lebenden Zellen mit tätowierungsähnlichen Anordnungen, die auf den Zellen haften und sich gleichzeitig der nassen und flüssigen Außenstruktur der Zellen anpassen.
„Wenn Sie sich vorstellen, wohin das alles in der Zukunft führen wird, würden wir gerne Sensoren haben, um den Zustand einzelner Zellen und der diese Zellen umgebenden Umgebung in Echtzeit aus der Ferne zu überwachen und zu steuern“, sagte David Gracias, Professor für Chemie und Biomolekulare Ingenieur an der Johns Hopkins University, der die Entwicklung der Technologie leitete. „Wenn wir Technologien hätten, um die Gesundheit isolierter Zellen zu verfolgen, könnten wir Krankheiten vielleicht viel früher diagnostizieren und behandeln und nicht warten, bis das gesamte Organ geschädigt ist.“
Die Einzelheiten werden in veröffentlicht Nano-Buchstaben.
Gracias, der an der Entwicklung von Biosensortechnologien arbeitet, die für den Körper ungiftig und nichtinvasiv sind, sagte, dass die Tätowierungen die Lücke zwischen lebenden Zellen oder Gewebe und herkömmlichen Sensoren und elektronischen Materialien schließen. Sie ähneln im Wesentlichen Barcodes oder QR-Codes, sagte er.
„Wir sprechen davon, so etwas wie ein elektronisches Tattoo auf einem lebenden Objekt anzubringen, das zehnmal kleiner ist als ein Stecknadelkopf“, sagte Gracias. „Es ist der erste Schritt zur Anbringung von Sensoren und Elektronik an lebenden Zellen.“
Die Strukturen konnten 16 Stunden lang an weichen Zellen haften, selbst wenn sich die Zellen bewegten.
Die Forscher bauten die Tätowierungen in Form von Arrays aus Gold auf, einem Material, das für seine Fähigkeit bekannt ist, Signalverluste oder Verzerrungen in der elektronischen Verkabelung zu verhindern. Sie befestigten die Arrays an Zellen, die Gewebe im menschlichen Körper bilden und erhalten, den sogenannten Fibroblasten. Anschließend wurden die Arrays mit molekularen Klebstoffen behandelt und mithilfe eines Alginat-Hydrogelfilms, einem gelartigen Laminat, das aufgelöst werden kann, nachdem das Gold an der Zelle haftet, auf die Zellen übertragen. Der molekulare Kleber auf dem Array verbindet sich mit einem von den Zellen abgesonderten Film, der sogenannten extrazellulären Matrix.
Frühere Forschungen haben gezeigt, wie man mithilfe von Hydrogelen Nanotechnologie auf die menschliche Haut und innere tierische Organe kleben kann. Indem es zeigt, wie man Nanodrähte und Nanopunkte an einzelne Zellen anheftet, geht Gracias‘ Team die seit langem bestehende Herausforderung an, optische Sensoren und Elektronik auf der Ebene einzelner Zellen mit biologischer Materie kompatibel zu machen.
„Wir haben gezeigt, dass wir komplexe Nanomuster an lebende Zellen anbringen und gleichzeitig sicherstellen können, dass die Zelle nicht stirbt“, sagte Gracias. „Es ist ein sehr wichtiges Ergebnis, dass die Zellen mit den Tätowierungen leben und sich bewegen können, da es oft eine erhebliche Inkompatibilität zwischen lebenden Zellen und den Methoden gibt, die Ingenieure zur Herstellung von Elektronik verwenden.“
Auch die Fähigkeit des Teams, die Punkte und Drähte in einer Array-Form anzubringen, ist entscheidend. Um diese Technologie zur Verfolgung von Bioinformationen nutzen zu können, müssen Forscher in der Lage sein, Sensoren und Verkabelungen in bestimmten Mustern anzuordnen, ähnlich wie sie in elektronischen Chips angeordnet sind.
„Dies ist ein Array mit einem bestimmten Abstand“, erklärte Gracias, „kein zufälliger Haufen von Punkten.“
Das Team plant, komplexere Nanoschaltkreise anzubringen, die über längere Zeiträume an Ort und Stelle bleiben können. Sie wollen auch mit verschiedenen Zelltypen experimentieren.
Mehr Informationen:
Kam Sang Kwok et al, Toward Single Cell Tattoos: Biotransfer Printing of Lithographic Gold Nanopatterns on Live Cells, Nano-Buchstaben (2023). DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c01960