Инженеры печатают на 3D-принтере гели с помощью рентгеновских лучей
Американские и итальянские ученые разработали новый метод 3D-печати гидрогелевых структур с разрешением менее 100 нанометров и без применения фотоинициатора. В нем для затвердевания полимерных прекурсоров используется сфокусированный поток электронов или рентгеновское излучение, при этом в безопасной для живых клеток дозе, поэтому таким способом можно фиксировать в гидрогеле клетки или микроорганизмы для последующего изучения, рассказывают авторы статьи в ACS Nano. В 3D-печати наиболее распространены экструзионные методы, при которых жидкий материал выдавливается из сопла и застывает. Вторая большая группа методов, которая более популярна в медицине, использует облучение для затвердевания жидких прекурсоров. К примеру, в методе лазерной стереолитографии (SLA) лазерный луч, обычно в ультрафиолетовом диапазоне, скользит по дну сосуда с прекурсорами полимеров, благодаря чему в местах его фокусировки фотоотверждающее вещество инициирует процесс «сшивания» молекул-прекурсоров полимеров. Также относительно недавно появился метод FEBID, в котором для затвердевания используется не ультрафиолетовое излучение, а поток электронов. Этот метод позволяет достигать нанометрового разрешения печати, но из-за того, что в нем используется сканирующий электронный микроскоп с вакуумной камерой, с ним нельзя использовать распространенные жидкие прекурсоры, в том числе для создания гидрогелей, необходимых в медицинских исследованиях. Ученые под руководством Андрея Колмакова (Andrei Kolmakov) из Национального института стандартов и технологий США показали, что электронные или рентгеновские лучи можно использовать и с жидкими прекурсорами. Ученые создали две камеры, совместимые со сканирующими электронными микроскопами. В этот вырез ученые установили кремниевую пластину с девятью прозрачными для электронов и рентгеновских лучей окошками из нитрида кремния толщиной 50 нанометров и шириной 100 микрометров. Пластина герметично прикрепляется к стенкам выреза в камере и способна выдержать перепад давления в одну атмосферу, образующийся при откачке воздуха из рабочей зоны микроскопа. Внутрь камеры ученые подавали 20-процентный водный раствор полиэтиленгликоля диакрилата (PEGDA), а затем перемещали сфокусированный поток электронов или рентгеновских лучей, вычерчивая нужный узор. Управлять формируемой структурой можно меняя параметры излучения: энергию пучка, интенсивность облучения, шаг или время выдержки (время, которое луч проводит в одной точке). «Сшивание» молекул при облучении электронами происходит по двум механизмам, соотношение между которыми зависит от множества факторов: прямой активации реакционноспособных групп при попадании электрона или радиолиза молекул раствора, в результате которого образуется множество разных свободных радикалов, способствующих соединению мономеров. При облучении рентгеновскими лучами происходят похожие процессы, но электроны поступают в раствор не напрямую, а благодаря Оже-эффекту. Главное технологическое отличие рентгеновских лучей в этом методе печати заключается в том, что они проникают в раствор прекурсоров на большую глубину и соответственно позволяют печатать более глубокие структуры. Авторы использовали линию человеческих клеток аденокарциномы Caco-2 и облучали их пучком электронов с энергией 10 килоэлектронвольт и средней дозой облучения восемь электронов на квадратный нанометр. Предварительно ученые добавили в раствор модифицированный флуорексон, который поглощается клетками и превращается во флуоресцентный флуорексон, неспособный перейти через кленточную мембрану наружу.N + 1