Вопросы и ответы:новый метод 3D-печати крошечных гелевых структур

Доктор Андрей Колмаков и группа исследователей из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали метод 3D-печати крошечных гелевых структур в жидкостях с помощью электронных лучей — метод, который ранее был ограничен твердыми телами.

Доктор. Андрей Колмаков: Один из наших проектов — использование электронной микроскопии в необычных условиях. Электронные микроскопы обычно работают в вакууме. Есть много процессов, например, в батареях, катализе и в полупроводниковой промышленности, где нужно смотреть на объекты, находящиеся в газовой или жидкой среде высокого давления. Это сложно сделать с помощью электронного микроскопа, потому что он не проникает слишком глубоко в плотные материалы.

Технические обзоры: Чем вас заинтересовал этот проект?

В рамках нашего исследования мы работали над методами разработки возможностей электронной визуализации для различных приложений. Однажды на собрании Общества исследования материалов (MRS) я заметил выставку, связанную с биологией, где экструзионный принтер печатал гидрогели, выдавливая небольшое количество жидкого геля, который желируется — затвердевает — под действием УФ-излучения. Я сразу почувствовал, что наша работа по электронной микроскопии в жидкостях может способствовать печати гелей. Для нас не имеет значения, делаем ли мы визуализацию или делаем что-то в жидкости или в жидком прекурсоре геля.

На следующей неделе мой постдоктор и я провели тест, чтобы убедиться, что это возможно, и, к нашему удивлению, это оказалось легко. Итак, мы решили, что наткнулись на что-то большое. Мы потратили год или больше на различные виды тестов, разрабатывая эти методы, и вот как это произошло.

Это было сложно, потому что о нашем процессе известно не так много. Изучение сшивания, образования более крупных молекул из жидкостей, из более мелких предшественников с использованием электронов, гамма-лучей или рентгеновских лучей в основном происходит из радиационной физики 1960-х годов. Но до нас никто не использовал для подобных процессов высокосфокусированные низкоэнергетические электронные пучки. Мы решили, что это может открыть новую дверь в области синтеза, литографии и даже 3D-печати.

Технические обзоры: Как обычно создаются гели?

Доктор Колмаков: Для коммерческих гелевых принтеров это обычно делается с помощью УФ-излучения. Однако у этих принтеров очень низкое разрешение по сравнению с нами. Обычно они имеют размер элемента в миллиметр, тогда как мы можем перейти на нанометровый уровень — в миллион раз меньше.

Как работает стандартный 3D-принтер, у вас есть жидкость:расплавленный пластик или жидкий раствор прекурсора геля в случае биопринтеров, и поскольку он вязкий, жидкость можно медленно выдавливать через сопло. Вы можете вставить экструдированную жидкость контролируемым образом, перемещая сопло по поверхности. Затем вы можете использовать ультрафиолетовый свет, чтобы вылечить — затвердеть — слой, который вы сделали. Специальные химические вещества, называемые инициаторами, должны быть включены в раствор, чтобы обеспечить такое затвердевание при облучении УФ-светом. Вы должны использовать эти химические вещества, потому что обычный гель ничего не делает со светом, он прозрачен.

В нашем случае мы не используем ни насадку, ни инициаторы. Мы можем работать только с жидким прекурсором как таковым, потому что электронный луч сам производит инициацию в воде.

Раствор прекурсора геля представляет собой водный раствор ансамбля перекрестно-сшитых молекул — очень длинных молекул, соединенных друг с другом химическим путем. Вы можете наполнить его водой, и он набухнет, потому что вода заполняет пространство между молекулами, или вы можете высушить его, и он сожмется.

Одним из примеров типичного применения геля являются контактные линзы. Однако существует потребность, особенно в биологии, в создании более сложных структур. Например, если вы хотите создать искусственные органы, скажем, ухо, вы можете сделать каркас из геля и населить его биологическими клетками, которые будут прилипать к гелю и расти там. Вот почему биоиндустрия заинтересована в таких технологиях.

Представьте теперь, что вы хотите сделать что-то очень маленькое, в основном на уровне самой индивидуальной биологической клетки. Или, скажем, вы хотите установить электрический контакт с ячейкой, чтобы послать сигнал туда и обратно. Вы должны делать это аккуратно, не слишком сильно тревожа клетку, потому что биологическая клетка — очень хрупкий организм. Вы можете попытаться подключиться к нему с помощью провода, но это может быть разрушительным, даже если вы сделаете это осторожно. В нашем случае мы можем производить настолько маленькие гели, что мы можем установить очень маленький контакт с чрезвычайно высокой точностью. Мы можем сделать это благодаря способности электронных лучей фокусироваться на очень и очень малых участках.

И еще одно, химические вещества-инициаторы, о которых я говорил ранее, часто бывают токсичными. Если вы хотите напечатать что-то действительно маленькое, используя современные технологии двухфотонной 3D-печати, вам придется увеличить концентрацию инициаторов, чтобы гель стал еще более токсичным для клеточного материала. В нашем случае мы можем создавать очень маленькие функции без использования каких-либо токсичных инициаторов.

Технические обзоры: Позвольте мне убедиться, что я следую основному процессу. Как я это вижу, вы 3D печатаете гелем — вы наносите гель на подложку. Это верно?

Доктор Колмаков: Опишу процесс подробнее. Представьте, что у вас есть стандартный сканирующий электронный микроскоп. Это вакуумная камера с очень, очень тонким электронным пучком внутри. Пучок может быть размером всего три нанометра. Если ваш образец находится внутри вакуумной камеры, вы можете сканировать лучом поверхность и получать от него сигнал, а оттуда — изображение. Или, если вы хотите что-то изготовить, вы можете положить, скажем, слой материала — люди используют это в полупроводниковой промышленности — вы кладете пленку фоторезиста. Затем на этом резисте можно что-то нарисовать, химически модифицировать электронным лучом на твердой пленке, а потом обработать специальными химикатами для удаления. Тогда вы получите узор на поверхности образца. Это стандартные методы электронной микроскопии и электронной литографии.

Это нормально с твердыми пленками или объектами, но мы хотим сделать что-то подобное с жидкостями. Проблема в том, что жидкости не остаются в вакууме, они испаряются. Микроскоп загрязнится, а это очень дорого.

Чтобы справиться с этой задачей, мы используем очень тонкую мембрану в диапазоне 10 нанометров. Он сделан из нитрида кремния, который является стандартным полупроводниковым материалом. Мембрана настолько тонка, что электроны могут проникать через нее лишь с небольшим рассеянием или затуханием, а газы и жидкости не могут. Мы используем этот трюк, чтобы доставить луч в жидкость. Мы сделали это, создав небольшую вторичную камеру с окном из нитрида кремния и заполнив ее жидким прекурсором для образования геля. Затем мы очень точно облучали жидкость электронами, создавая определенные узоры. В местах попадания электронного луча жидкость химически модифицируется, и образуется гель.

Это была наша основная идея:таким образом создать мягкий слой. Затем вы можете расслоить его, потому что он образовался очень, очень близко к мембране. После этого вы начинаете выращивать второй слой, расслаиваете его, начинаете выращивать третий слой и так далее. Это и было нашей целью — с помощью электронного луча создать послойную структуру геля внутри жидкости.

Технические обзоры: Значит, гели укладываются по определенной схеме?

Доктор Колмаков: Да, сверхсложных конструкций мы пока не создавали. Но мы продемонстрировали, какие простые структуры возможны. Важно отметить, что мы также продемонстрировали способ расслоения. Когда вы делаете 3D-печать, отслоение первого слоя от мембраны становится проблемой, потому что он прилипает. Итак, вам нужно создать процедуру его расслоения, чтобы можно было написать второй слой поверх первого.

Технические обзоры: Является ли гель базовой структурой, на которую можно поместить биологическую клетку или какие-то датчики?

Доктор Колмаков: Да, с гелями можно многое сделать. Например, проводящие гели могут использоваться в качестве электрических контактов. Или, поскольку они прозрачны, их можно использовать для изготовления оптических волокон. Кроме того, некоторые гели могут реагировать на определенные раздражители. Например, их можно сделать чувствительными к температуре или рН. Вы можете создать множество функциональных возможностей, изменив молекулы гелей. Таким образом, вы можете создавать функциональные объекты, такие как нанопловцы или мягкие микророботы.

Технические обзоры: Выполняет ли электронный луч все эти модификации?

Доктор Колмаков: Нет, пока сам электронный луч только формирует форму.

Технические обзоры: Итак, как вы делаете все остальное?

Доктор Колмаков: Вы вводите функциональные возможности самого геля. Например, мы хотели ощущать влажность и хотели сделать датчик очень-очень маленьким. Мы добавили в раствор наночастицы золота и в процессе записи инкапсулировали частицы внутри гелевой структуры.

Технические обзоры: Итак, вы говорите, что поместили частицы в смесь, а затем использовали электронный луч для создания структуры.

Доктор Колмаков: Да, частицы теперь инкапсулируются внутри геля. Размер гелевого материала очень чувствителен к влажности. Допустим, он сжимается, если на улице сухо, и набухает, когда влажно или влажно. Затем расстояние между внедренными частицами изменяется из-за колебаний влажности. Затем можно определить влажность, наблюдая за цветом композитного геля. Используемый нами метод называется плазмонным возбуждением. Вы можете посмотреть на оптический спектр материала и определить расстояние между частицами. Таким образом, это простой способ контролировать влажность. Но есть много других вещей, которые вы можете сделать. Например, вы можете изменить саму молекулу геля, чтобы она реагировала на рН. Затем вы можете сделать что-то вроде робота, который двигается при изменении кислотности. Робот-нанопловец, вставленный в определенные участки тела, может двигаться при изменении рН раствора. Преимущество в том, что в отличие от других технологий, используемых в настоящее время для этих целей, мы можем сделать структуру чрезвычайно маленькой — мы можем сделать ее меньше, чем сама ячейка.

Технические обзоры: Можно ли использовать рентгеновские лучи вместо электронных лучей?

Доктор Колмаков: В значительной степени не имеет значения, какое ионизирующее излучение мы используем. Преимущество как электронных лучей, так и рентгеновских лучей заключается в том, что вы можете сфокусировать их в очень маленьком пятне — вы можете использовать любой из них для создания очень маленьких структур. Однако у рентгена есть свои преимущества. Вы можете изменить энергию луча, изменив его длину волны. Поскольку каждый химический элемент поглощает рентгеновские лучи с очень определенной длиной волны, вы можете добавить химическую специфичность в процесс письма. Например, вы можете писать кислородсодержащие гели мельче или глубже, если настроите длину волны рентгеновского излучения ближе или дальше от точки максимального поглощения кислорода.

Технические обзоры: Но разве они не опаснее?

Доктор Колмаков: Ну, это ионизирующее излучение, поэтому должны быть приняты соответствующие меры безопасности, например, достаточное экранирование луча от пользователя. Но это вопрос дозы, необходимой для модификации среды. Способность электронного луча ионизировать воду в растворе очень эффективна и не требует больших доз — именно это мы и используем в качестве сшивающего агента.

Технические обзоры: Вы видите, что это будет использоваться в коммерческих целях в ближайшее время?

Доктор Колмаков: Интерес промышленности к этой технологии будет зависеть от возможностей, которые мы сможем продемонстрировать. Я думаю, что основная проблема сейчас, например, в 3D-печати, заключается в том, что нам все еще нужно повысить надежность послойного отслоения от подложки. Так что, как только мы покажем сложные субмикронные 3D-структуры, промышленность должна заинтересоваться этой технологией для печати очень маленьких материалов. Мы продолжаем над этим работать.

Технические обзоры: Можно ли это сделать с помощью имеющихся в продаже источников энергии?

Доктор Колмаков: В яблочко! Это и было нашей целью, мы хотели продемонстрировать это сообществу людей, которые работают со стандартными сканирующими или просвечивающими электронными микроскопами, а их тысячи по всему миру. Кроме того, есть люди, у которых есть рентгеновские микроскопы (это новая отрасль) — недавно они стали доступны для лабораторий. Все машины, которые мы используем в нашей лаборатории, являются коммерческими. Мы только что добавили очень простые индивидуальные настройки. Таким образом, это определенно возможно сделать в больших масштабах. Более того, есть новые разработки в самой микроскопии. Некоторые компании заинтересовались производством электронных микроскопов, способных работать в окружающей среде, например в воздухе. Тогда это будет еще проще, потому что вы просто поместите свой образец в воздух под микроскопом.

Технические обзоры: Что вас больше всего волнует в этом проекте?

Доктор Колмаков: Что меня больше всего волнует, так это то, что это совершенно новая технология, и мы находимся в самом ее начале. Я хочу найти энтузиастов-партнеров и достаточно ресурсов и рабочей силы, чтобы двигаться вперед.

Технические обзоры: Сможете ли вы сотрудничать с коммерческой компанией для реализации своих методов?

Доктор. Колмаков: Однозначно, я бы с удовольствием. Наша миссия в NIST — помогать промышленности в разработке новых технологий или метрологии.

Технические обзоры: Мне кажется, что это должно заинтересовать многих.

Доктор. Колмаков: Правильно, биологи, работающие с полиграфическим сообществом, были бы заинтересованы. Например, используя современные технологии 3D-биопечати, люди создают гелевые структуры сантиметрового размера для тканевой инженерии. Однако есть необходимость печатать очень маленькие структуры, скажем, на уровне ячейки или внутри клетка, но это все еще научная фантастика. Рынка пока нет — это в значительной степени открытое пространство. Если кто-то предложит рыночную идею для искусственных субклеточных гелевых структур, промышленность станет более заинтересованной. Возможно, мы слишком рано.

Технические обзоры: Можете ли вы предсказать рынки?

Доктор. Колмаков: Что ж, одна из вещей, которые, я думаю, будут интересны, это связать нашу технологию с взаимодействием компьютера и мозга. Там есть две основные проблемы. Один из них разрабатывает мягкие электроды, которые не будут повреждать ткани головного мозга, а другой — доставлять эти электроды в мозг.

Технические обзоры: Я слышал, как Илон Маск говорил об этом.

Доктор. Колмаков: Да. Проблема в том, что он использует более старую технологию. Их электроды твердые — не очень гибкие — и не очень дружелюбны к тканям. Во-вторых, они должны сделать операцию на черепе, чтобы вживить электроды. Что я вижу в нашем методе, так это то, что мы можем сделать электроды намного тоньше, гораздо более гибкими и гораздо более биологически безопасными. Кроме того, наши электроды могут передавать электронные и ионные сигналы и оптически прозрачны, поэтому они могут передавать оптические сигналы туда и обратно. Так что, на мой взгляд, это гораздо лучшая перспектива для визуализации активности мозга, чем что-либо еще. Это, наверное, самое популярное приложение, которое я могу себе представить. Практически все, кто сейчас работает в области мягкой электроники, помнят о взаимодействии мозг-компьютер. Первоначально это будет для людей, которые потеряли некоторые функции, например подвижность, потому что они в отчаянии. Но в конце концов — представьте, что у вас есть второй мозг.

Я думаю, сейчас существует очень небольшой разрыв между научной фантастикой и реальностью… Это огромная область, и то, что мы делаем, — лишь очень маленький вклад. Люди многому научились, начав читать сигналы, которые генерирует мозг. Понимание мозга уже изменило то, как мы занимаемся вычислениями, и привело к появлению новой технологии:нейроморфных вычислений. Люди пытаются создавать компьютеры с совершенно другой архитектурой и языком, и даже логикой для работы, при этом используя обычные элементы, обычные полупроводники. Он будет менее цифровым и больше ориентирован на аналоговое распознавание образов и может использовать другие, например мягкие материалы, вместо неорганических транзисторов или других устройств, таких как мемристоры.

Отредактированная версия этого интервью была опубликована в выпуске Tech Briefs за декабрь 2020 г.