Пионерская 3D-печать электронным лучом микрогелевых структур в жидких средах

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

Доктор Андрей Колмаков: Один из проектов, которые мы ведем — использование электронной микроскопии в необычных средах. Электронные микроскопы обычно работают в вакууме. Существует много процессов, например, в батареях, катализе и в полупроводниковой промышленности, где вы хотите смотреть на объекты, находящиеся в высокодавлении газа или жидких средах. Это трудно сделать с электронным микроскопом, потому что он не проникает слишком глубоко в плотные материалы.

Tech Briefs: Что заинтересовало вас в этом проекте?

Как часть наших исследований, мы работали над техниками развития возможностей электронной визуализации для разных приложений. Однажды, на встрече Materials Research Society (MRS) я заметил био-ориентированную выставку, где экструзионный принтер печатал гидрогели, экструдируя небольшое количество жидкого геля, который гелирует — затвердевает — под ультрафиолетовым светом. Я сразу почувствовал, что наша работа по электронной микроскопии в жидкостях может способствовать печати гелей. Для нас не важно, визуализируем мы или делаем что-то в жидкости или в жидком предшественнике геля.

На следующей неделе мой постдок и я сделали тест, чтобы увидеть, выполнимо ли это, и к нашему удивлению, это было легко. Так что мы решили, что мы на чем-то крупном. Мы потратили год или более на разные виды тестов, развивая эти техники, и так это произошло.

Это было сложно, потому что не так много известно о нашем процессе. Изучение перекрестного связывания, образования более крупных молекул из жидкостей, из более мелких предшественников, с использованием электронов или гамма-лучей или рентгена в основном происходит из физики излучения 1960-х. Но до нас никто не использовал высоко сфокусированные низкоэнергетические электронные пучки для таких процессов. Мы решили, что это может открыть новую дверь в синтез, литографию или даже 3D-печать.

Tech Briefs: Как обычно создаются гели?

Доктор Колмаков: Для коммерческих принтеров гелей это обычно делается с УФ-светом. Однако эти принтеры имеют очень низкое разрешение по сравнению с нами. Обычно у них размер особенностей в миллиметрах, тогда как мы можем descendre до нанометрового уровня — в миллион раз меньше.

Способ, которым работает стандартный 3D-принтер: у вас есть жидкость: расплавленный пластик или жидкий раствор предшественника геля в случае био-принтеров, и потому что он вязкий, жидкость может быть медленно экструдирована через сопло. Вы можете наносить экструдированную жидкость контролируемым образом, перемещая сопло над поверхностью. Затем вы можете использовать УФ-свет для отверждения — затвердевания — сделанного вами слоя. Специальные химикаты, называемые инициаторами, должны быть внедрены в раствор, чтобы позволить такой затвердевания при облучении УФ-светом. Вы должны использовать эти химикаты, потому что обычный гель ничего не делает со светом, он прозрачен.

В нашем случае мы не используем ни сопло, ни инициаторы. Мы можем работать просто с жидким предшественником как он есть, потому что электронный луч сам делает инициацию в воде.

Раствор предшественника геля — это водный раствор ансамбля молекул, которые перекрестно связаны — очень длинные молекулы, соединенные химически. Вы можете наполнить его водой, и он набухает, потому что вода заполняет пространства между молекулами, или вы можете сушить его, и он сжимается.

Один пример типичного применения геля — контактные линзы. Однако существует потребность, особенно в биологии, создавать более сложные структуры. Например, если вы хотите создать искусственные органы, скажем ухо, вы могли бы сделать каркас из геля и заселить его биологическими клетками, которые прилипнут к гелю и будут расти там. Именно поэтому биоиндустрия заинтересована в таких техниках.

Представьте теперь, что вы хотите сделать что-то действительно маленькое, по сути на уровне отдельной биологической клетки. Или скажем, вы хотите сделать электрический контакт к клетке, чтобы посылать сигнал туда-обратно. Вы должны делать это нежно, не беспокоя клетку слишком сильно, потому что биологическая клетка — очень хрупкий организм. Вы могли бы попробовать подключиться к ней с проводом, но это могло бы быть деструктивным даже если вы сделали это нежно. В нашем случае мы можем производить гели настолько маленькие, что можем сделать очень маленький контакт с экстремально высокой точностью. Мы можем сделать это благодаря способности электронных пучков фокусироваться на очень, очень маленьких областях.

И еще одна вещь, инициаторные химикаты, о которых я говорил раньше, часто токсичны. Если вы хотите напечатать что-то действительно маленькое, используя современные двухфотонные 3D-печати, вы должны увеличить концентрацию инициаторов, так что гель становится еще более токсичным для клеточного материала. В нашем случае мы можем делать экстремально маленькие особенности без использования каких-либо токсичных инициаторов.

Tech Briefs: Дайте мне убедиться, что я следую за базовым процессом. Я вижу это так: вы 3D-печатаете с гелем — вы наносите гель на подложку. Верно?

Доктор Колмаков: Позвольте описать процесс более подробно. Представьте, что у вас есть стандартный сканирующий электронный микроскоп. Это вакуумная камера с очень, очень тонким электронным лучом внутри. Луч может быть настолько мал, насколько три нанометра. Если ваш образец внутри вакуумной камеры, вы можете сканировать луч по поверхности и получить сигнал от него, и от этого вы получаете изображение. Или, если вы хотите что-то изготовить, вы могли бы положить, скажем, слой материала — люди используют это для полупроводниковой промышленности — вы наносите пленку фоторезиста. Вы можете затем нарисовать что-то на этом резисте, химически модифицировать его электронным лучом на твердой пленке и обработать его потом специальными химикатами для удаления. Тогда вы получите паттерн на поверхности образца. Это стандартные процедуры электронной микроскопии и электронной литографии.

Это нормально с твердыми пленками или объектами, но мы хотим сделать что-то подобное в жидкостях. Проблема в том, что жидкости не держатся в вакууме, они испаряются. Микроскоп бы загрязнился — и это очень дорого.

Чтобы справиться с этим вызовом, мы используем очень тонкую мембрану, в диапазоне 10 нанометров. Она сделана из нитрида кремния, который является стандартным полупроводниковым материалом. Мембрана настолько тонка, что электроны могут проникать через нее с только небольшим рассеянием или аттенюацией, но 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 предшественником для образования геля. Затем мы облучали жидкость очень точно электронами, создавая определенные паттерны. В областях, где электронный луч попадает, жидкость химически модифицируется, и гель формируется.

Это была наша главная идея: создать мягкий слой таким образом. Затем вы можете отслоить его, потому что он сформирован очень, очень близко к мембране. После этого вы начинаете растить второй слой, отслоить тот, начать растить третий слой, и так далее. Это была наша цель — использовать электронный луч для создания слой за слоем гелевой структуры внутри жидкости.

Tech Briefs: Так, гели наносятся в определенных паттернах?

Доктор Колмаков: Да, мы еще не создали экстремально сложные структуры. Но мы продемонстрировали виды простых структур, которые возможны. Важно, мы также продемонстрировали способ, которым может быть сделано отслоение. Когда вы делаете 3D-печать, отслоение первого слоя от мембраны становится проблемой, потому что он прилипает. Так что вы должны создать процедуру для отслоения, чтобы иметь возможность написать второй слой поверх первого.

Tech Briefs: Является ли гель базовой структурой, на которую можно поставить биологическую клетку или какие-то датчики?

Доктор Колмаков: Да, с гелями вы можете делать много вещей. Например, проводимые гели могут использоваться как электрические контакты. Или, поскольку они прозрачны, их можно использовать для изготовления оптоволокон. Также некоторые гели могут быть сделаны реактивными на определенные стимулы. Например, их можно сделать чувствительными к температуре или pH. Вы можете создавать множество функциональностей, модифицируя молекулы гелей. Таким образом, вы можете строить функциональные объекты вроде нано-пловцов или мягких микро-роботов.

Tech Briefs: Делает ли электронный луч все эти модификации?

Доктор Колмаков: Нет, пока электронный луч просто делает форму.

Tech Briefs: Так как вы делаете все остальные вещи?

Доктор Колмаков: Вы вводите функциональности в сам гель. Например, мы хотели чувствовать влажность и хотели сделать датчик очень, очень маленьким. Мы добавили золотые наночастицы в раствор, и в процессе записи мы инкапсулировали частицы внутри гелевой структуры.

Tech Briefs: Так вы говорите, что кладете частицы в смесь, а потом используете электронный луч, чтобы сделать структуру.

Доктор Колмаков: Да, частицы теперь становятся инкапсулированными внутри геля. Размер гелевого материала очень чувствителен к влажности. Скажем, он сжимается, если снаружи сухо, и набухает, когда влажно или сыро. Тогда расстояние между встроенными частицами меняется из-за вариаций влажности. Вы можете тогда определить влажность, наблюдая за цветом композитного геля. Техника, которую мы используем, называется плазмонным возбуждением. Вы можете посмотреть на оптический спектр материала и определить расстояние между частицами. Так что это простой способ мониторинга влажности. Но есть много других вещей, которые вы можете сделать. Например, вы можете изменить молекулу геля так, чтобы она была отзывчива к pH. Вы можете тогда сделать что-то вроде робота, который движется, когда меняется кислотность. Нано-пловец-робот, вставленный в определенные области тела, мог бы двигаться, когда pH раствора меняется. Преимущество в том, что, в отличие от других технологий, сейчас используемых для этих целей, мы можем сделать структуру экстремально маленькой — мы можем фактически сделать ее меньше самой клетки.

Tech Briefs: Можете ли вы использовать рентгеновские лучи вместо электронных пучков?

Доктор Колмаков: Во многом неважно, какой вид ионизирующего излучения мы используем. Преимущество и электронных пучков, и рентгена в том, что вы можете фокусировать их в очень, очень маленькую точку — вы можете использовать любой из них для записи очень маленьких структур. Однако рентгеновские лучи имеют свои собственные преимущества. Вы можете менять энергию луча, меняя его длину волны. Поскольку каждый химический элемент поглощает рентгеновские лучи на очень специфических длинах волн, вы можете добавить химическую специфичность в процесс записи. Например, вы можете писать кислород-содержащие гели менее глубоко или глубже, если настроите длину волны рентгеновских лучей ближе к или дальше от точки максимального поглощения кислорода.

Tech Briefs: Но не они более опасны?

Доктор Колмаков: Ну, это ионизирующее излучение, так что должны быть приняты соответствующие меры безопасности, такие как 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 — это именно то, что мы используем как перекрестно-связывающий агент.

Tech Briefs: Видите ли вы это используемым коммерчески в ближайшее время?

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

Tech Briefs: Можно ли это сделать с коммерчески доступными источниками энергии?

Доктор Колмаков: Именно! Это была наша цель, мы хотели продемонстрировать это сообществу людей, работающих со стандартными сканирующими или трансляционными электронными микроскопами, и их тысячи по всему миру. Также есть люди, владеющие рентгеновскими микроскопами (что является новой отраслью) — они стали доступны для лабораторий недавно. Все машины, которые мы используем в нашей лаборатории, коммерческие. Мы просто добавили очень простые самодельные установки. Так что это определенно возможно сделать в большом масштабе. Даже больше, есть новые разработки в самой микроскопии. Некоторые компании заинтересовались производством электронных микроскопов, способных работать в окружающей среде, как в воздухе. Это было бы еще легче, потому что вы просто положили бы свой образец в воздух под микроскопом.

Tech Briefs: Что больше всего волнует вас в этом проекте?

Доктор Колмаков: То, что больше всего волнует — это то, что это совершенно новая технология и мы в самом начале ее. Мое желание — найти энтузиастичных партнеров и достаточно ресурсов и человеческой силы, чтобы двигать это вперед.

Tech Briefs: Сможете ли вы работать с коммерческой компанией для внедрения ваших техник?

Доктор Колмаков: Однозначно, я был бы рад. Наша миссия в NIST — помогать промышленности разрабатывать новые технологии или метрологию.

Tech Briefs: Кажется, что множество людей должны быть заинтересованы в этом.

Доктор Колмаков: Правильно, биологи, работающие с печатным сообществом, были бы заинтересованы. Например, используя текущую технологию 3D-биопечати, люди строят сантиметровые гелевые структуры для тканевой инженерии. Однако также существует потребность печатать очень маленькие структуры, скажем, на уровне клетки, или внутри клетки, но это все еще научная фантастика. Рынка еще нет — это довольно открытое пространство. Если кто-то придет с коммерческой идеей для искусственных субклеточных гелевых структур, промышленность заинтересуется больше. Может быть, мы слишком раны.

Tech Briefs: Можете ли вы предсказать какие-то рынки?

Доктор Колмаков: Ну, одна из вещей, которые я думаю, будет интересной, — связать нашу технологию с компьютерно-мозговым интерфейсом. Там есть два главных вызова. Один — разработка мягких электродов, которые не повредят мозговую ткань, и другой — доставка этих электродов в мозг.

Tech Briefs: Я слышал Илона Маска говорящего об этом.

Доктор Колмаков: Да. Проблема в том, что он использует более старую технологию. Их электроды твердые — не очень гибкие — и не экстремально дружелюбны к ткани. Вторая вещь — им нужно сделать операцию на черепе для имплантации электродов. То, что я вижу с нашим методом, — мы можем сделать электроды гораздо тоньше, гораздо более гибкими и гораздо более био-дружелюбными. Также наши электроды могут передавать электронные и ионные сигналы и оптически прозрачны, так что они могут передавать оптические сигналы туда-обратно. Так что, по моему мнению, это гораздо лучшая перспектива для изображения мозговой активности, чем что-либо еще. Это, вероятно, самое горячее применение, которое я могу представить. Практически все, работающие в мягкой электронике сейчас, держат в уме компьютерно-мозговой интерфейс. Изначально это будет для людей, потерявших некоторые функции, например подвижность, потому что они désespérées. Но в конечном счете — представьте, что у вас есть второй мозг в вашем распоряжении.

Существует очень маленькая щель, я думаю, между научной фантастикой и реальностью сейчас… Это огромная область, и то, что мы делаем, — это просто очень маленький вклад. Люди научились многому, начиная читать сигналы, которые генерируют мозги. Понимание мозга уже изменило способ, которым мы делаем вычисления, и привело к началу новой технологии: нейроморфных вычислений. Люди пытаются создать компьютеры с полностью другой архитектурой и языком, и даже логикой, для работы, все еще используя обычные элементы, обычные полупроводники. Это было бы менее цифровым и больше в аналоговую и распознавание образов и может использовать другие, например, мягкие материалы, вместо неорганических транзисторов или других устройств, таких как мемристоры.

Отредактированная версия этого интервью появилась в декабре 2020 года в Tech Briefs.