Исследователи из Национального института стандартов и технологий США (NIST) разработали новый метод 3D-печати гелей и других мягких материалов, который использует рентгеновские лучи и пучки электронов. Поскольку многие гели совместимы с живыми клетками, новый метод может дать толчок производству крошечных мягких медицинских устройств, таких как системы доставки лекарств или гибкие электроды, которые можно вводить в тело человека, сообщает пресс-служба NIST. Подробнее о методе ученые рассказали в журнале ACS Nano.
Как происходит 3D-печать обычных твердых изделий? Принтер создает листы материала – пластика или резины – и «выкладывает» их слой за слоем, как лазанью, пока не будет создан весь объект.
Печать геля или мягкого изделия – более деликатный процесс. Обычно камера 3D-принтера заполняется «супом» из длинноцепочечных полимеров – длинных групп молекул, связанных вместе, – растворенных в воде. Затем в этот «суп» добавляют «пряности» – особые молекулы, чувствительные к свету. Когда свет от 3D-принтера активирует молекулы, они сшивают цепочки полимеров, образуя пушистую структуру, похожую на паутину. Эти строительные леса, все еще окруженные жидкой водой, и представляют собой гель.
Обычно современные 3D-гелевые принтеры используют ультрафиолетовый или лазерный свет в видимом диапазоне, чтобы получить гелевый каркасы. Ученые NIST же предлагают использовать пучки электронов или рентгеновских лучей. Поскольку эти типы излучения имеют более высокую энергию или более короткую длину волны, чем ультрафиолетовый и видимый свет, эти лучи могут быть сильнее направлены. Поэтому с их помощью можно печатать гели с более мелкими структурными деталями. Именно такие детали необходимы для тканевой инженерии и многих других медицинских и биологических приложений. Электроны и рентгеновские лучи обладают вторым преимуществом: им не нужен специальный набор молекул, чтобы запустить процесс образования гелей.
Есть, однако, один существенный нюанс. В настоящее время источники этого сильно 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.
Команда NIST вместе с Elettra Sincrotrone Trieste (Италия) решили эту проблему. Они поместили между вакуумом и камерой с жидкостью барьер – ультратонкий лист нитрида кремния. Тонкий лист защищает жидкость от испарения (как это обычно происходит в вакууме), но позволяет рентгеновским лучам и электронам проникать в жидкость. Этот метод позволил команде использовать подход 3D-печати для создания гелей толщиной всего 100 нанометров (примерно в 1000 раз тоньше человеческого волоса). В будущем ученые планируют создавать мягкие структуры размером с небольшой вирус – до 50 нанометров.
[Иллюстрация: A. STRELCOV/NIST]
