Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали новый метод трехмерной печати гелей и других мягких материалов. Он обладает потенциалом для создания сложных структур с нанометровой точностью.
Поскольку многие гели совместимы с живыми клетками, новый метод может дать толчок производству мягких крошечных медицинских устройств, таких как системы доставки лекарств или гибкие электроды, которые могут быть вставлены в человеческое тело. Стандартный трехмерный принтер создает твердые структуры, создавая листы материала-обычно пластика или резины и выстраивая их слой за слоем, как лазанью, пока не будет создан весь объект.
Использование 3D-принтера для изготовления объекта из геля-это немного более тонкий процесс приготовления пищи, сказал исследователь NIST Андрей Колмаков. В стандартном методе камера трехмерного принтера заполняется супом из длинноцепочечных полимеров-длинных групп молекул, связанных вместе, растворенных в воде. Затем добавляются специи особые молекулы, чувствительные к свету. Когда свет от трехмерного принтера активирует эти специальные молекулы, они сшивают вместе цепи полимеров так, что они образуют пушистую структуру, похожую на паутину. Эти леса, все еще окруженные жидкой водой, и есть гель.
Как правило, современные 3D-гелевые принтеры используют ультрафиолетовый или видимый лазерный свет для инициирования формирования гелевых лесов. Однако Колмаков и его коллеги сосредоточили свое внимание на другой технике трехмерной печати для изготовления гелей, используя пучки электронов или рентгеновские лучи. Поскольку эти типы излучения имеют более высокую энергию или более короткую длину волны, чем ультрафиолетовый и видимый свет, эти лучи могут быть более плотно сфокусированы и, следовательно, производить гели с более мелкими структурными деталями. Именно такая деталь необходима для тканевой инженерии и много других медицинских и биологических применений. Электроны и рентгеновские лучи дают второе преимущество: они не требуют специального набора молекул для инициирования образования гелей.
Но в настоящее время источники этого плотно сфокусированного коротковолнового излучения-сканирующие электронные микроскопы и рентгеновские микроскопы могут работать только в вакууме. Это проблема, потому что в вакууме жидкость в каждой камере испаряется, а не образует гель.
Колмаков и его коллеги из NIST и Elettra Sincrotrone Trieste в Италии решили эту проблему и продемонстрировали трехмерную гелиевую печать в жидкостях, поместив ультратонкий барьер-тонкий лист нитрида кремния-между вакуумом и жидкостной камерой. Тонкий лист защищает жидкость от испарения (как это обычно делается в вакууме), но позволяет рентгеновским лучам и электронам проникать в жидкость. Этот метод позволил команде использовать метод трехмерной печати для создания гелей со структурой размером всего 100 нанометров (Нм)—примерно в 1000 раз тоньше человеческого волоса. Усовершенствовав свой метод, исследователи рассчитывают запечатлеть на гелях структуры размером до 50 Нм, то есть размером с небольшой вирус.
Некоторые будущие структуры, созданные с помощью этого подхода, могут включать гибкие инъекционные электроды для мониторинга мозговой активности, сенсоры для обнаружения вирусов, мягкие микро роботы и структуры, которые могут эмулировать и взаимодействовать с живыми клетками и обеспечивать среду для их роста.