Vraag en antwoord:een nieuwe methode voor het 3D-printen van kleine gelstructuren

Dr. Andrei Kolmakov en een team van onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een methode ontwikkeld voor het 3D-printen van kleine gelstructuren in vloeistoffen met elektronenstralen - een methode die voorheen beperkt was tot vaste stoffen.

Dr. Andrei Kolmakov: Een van de projecten die we uitvoeren, is het gebruik van elektronenmicroscopie in ongebruikelijke omgevingen. Elektronenmicroscopen werken meestal in een vacuüm. Er zijn veel processen, bijvoorbeeld in batterijen, katalyse en in de halfgeleiderindustrie, waar u naar objecten wilt kijken die zich in een gas- of vloeistofomgeving onder hoge druk bevinden. Dat is moeilijk te doen met een elektronenmicroscoop omdat hij niet te diep doordringt in dichte materialen.

Tech Briefs: Wat maakte je geïnteresseerd in dit project?

Als onderdeel van ons onderzoek werkten we aan technieken om elektronenbeeldvormingsmogelijkheden voor verschillende toepassingen te ontwikkelen. Op een bijeenkomst van de Materials Research Society (MRS) zag ik een bio-gerelateerde tentoonstelling, waar een extrusieprinter hydrogels aan het printen was door een kleine hoeveelheid vloeibare gel te extruderen, die gegeleerd - gestold - wordt door UV-licht. Ik voelde meteen dat ons werk aan elektronenmicroscopie in vloeistoffen zou kunnen bijdragen aan het printen van gels. Voor ons maakt het niet uit of we beelden maken of iets doen in een vloeistof of in een vloeibare gelprecursor.

De week daarop deden mijn postdoc en ik een test om te zien of het haalbaar was, en tot onze verbazing was het eenvoudig. Dus besloten we dat we iets groots op het spoor waren. We hebben een jaar of langer verschillende soorten tests gedaan om deze technieken te ontwikkelen en zo is het gebeurd.

Het was een uitdaging omdat er niet zo veel bekend is over ons proces. De studie van verknoping, de vorming van grotere moleculen uit vloeistoffen, uit kleinere voorlopers, met behulp van elektronen of gammastralen of röntgenstralen, komt in feite uit de stralingsfysica van de jaren zestig. Maar vóór ons gebruikte niemand voor dit soort processen zeer gerichte elektronenbundels met lage energie. We besloten dat dit een nieuwe deur zou kunnen openen in synthese, lithografie of zelfs 3D-printen.

Tech Briefs: Hoe worden gels meestal gemaakt?

Dr. Kolmakov: Voor commerciële gelprinters wordt dit meestal gedaan met UV-licht. Deze printers hebben echter een zeer lage resolutie in vergelijking met ons. Ze hebben meestal een kenmerkgrootte van een millimeter, terwijl we tot op nanometerniveau kunnen gaan - een miljoen keer kleiner.

De manier waarop een standaard 3D-printer werkt, is dat je een vloeistof hebt:gesmolten plastic, of vloeibare gel-precursoroplossing in het geval van bioprinters, en omdat het viskeus is, kan de vloeistof langzaam door een mondstuk worden geëxtrudeerd. U kunt de geëxtrudeerde vloeistof op een controleerbare manier plakken door de spuitmond over een oppervlak te bewegen. Vervolgens kunt u UV-licht gebruiken om de laag die u hebt gemaakt uit te harden - te stollen. Speciale chemicaliën, initiatoren genaamd, moeten in de oplossing worden ingebed om dit soort stolling mogelijk te maken bij bestraling met UV-licht. Je moet deze chemicaliën gebruiken omdat de gebruikelijke gel niets met licht doet, het is transparant.

In ons geval gebruiken we geen nozzle of initiatoren. We kunnen gewoon met de vloeibare voorloper werken zoals hij is, omdat de elektronenstraal zelf de initiatie in het water doet.

De gelprecursoroplossing is een wateroplossing van een ensemble van moleculen die verknoopt zijn - zeer lange moleculen die chemisch met elkaar verbonden zijn. Je kunt het met water vullen en het zwelt op omdat water de ruimtes tussen de moleculen vult, of je kunt het drogen en het krimpt.

Een voorbeeld van een typische geltoepassing zijn contactlenzen. Vooral in de biologie bestaat echter de behoefte om complexere structuren te maken. Als je bijvoorbeeld kunstmatige organen wilt maken, bijvoorbeeld een oor, kun je van de gel een steiger maken en deze vullen met biologische cellen die aan de gel blijven kleven en daar groeien. Daarom is de bio-industrie geïnteresseerd in dit soort technieken.

Stel je nu voor dat je iets heel kleins wilt maken, eigenlijk op het niveau van de individuele biologische cel zelf. Of stel dat je een elektrisch contact met de cel wilt maken, om een ​​signaal heen en weer te sturen. Je moet het voorzichtig doen, zonder de cel te veel te storen, want een biologische cel is een heel kwetsbaar organisme. Je zou kunnen proberen er verbinding mee te maken met een draad, maar dat kan destructief zijn, zelfs als je het voorzichtig hebt gedaan. In ons geval zijn we in staat om gels te produceren die zo klein zijn dat we een heel klein contact met extreem hoge precisie kunnen maken. We kunnen dit doen vanwege het vermogen van de elektronenstralen om op zeer, zeer kleine gebieden te worden gefocust.

En nog iets, de initiatorchemicaliën waar ik eerder over sprak, zijn vaak giftig. Als je iets heel kleins wilt printen met behulp van de modernste twee-foton 3D-printtechnieken, moet je de concentratie van de initiatoren verhogen, zodat de gel nog giftiger wordt voor celmateriaal. In ons geval kunnen we extreem kleine functies maken zonder giftige initiators te gebruiken.

Tech Briefs: Laat me ervoor zorgen dat ik het basisproces volg. Zoals ik het zie, print je 3D met de gel - je deponeert de gel op een substraat. Klopt dat?

Dr. Kolmakov: Laat me het proces in meer detail beschrijven. Stel je voor dat je een standaard scanning elektronenmicroscoop hebt. Het is een vacuümkamer met een zeer, zeer fijne elektronenstraal erin. De bundel kan zo klein zijn als drie nanometer. Als je monster zich in de vacuümkamer bevindt, kun je de straal over het oppervlak scannen en er een signaal van krijgen, en daaruit krijg je een beeld. Of, als je iets wilt fabriceren, kun je bijvoorbeeld een laag materiaal aanbrengen - mensen gebruiken dit voor de halfgeleiderindustrie - je legt een film van fotoresist neer. Je kunt dan iets op deze resist tekenen, het chemisch wijzigen met een elektronenstraal op de vaste film en het daarna behandelen met speciale chemicaliën om het te verwijderen. Dan krijg je een patroon op het oppervlak van het monster. Dat zijn standaard elektronenmicroscopie- en elektronenlithografieprocedures.

Dat is prima met vaste films of objecten, maar zoiets willen we doen in vloeistoffen. Het probleem is dat vloeistoffen niet in een vacuüm blijven, ze verdampen. De microscoop zou besmet raken - en dat is erg duur.

Om deze uitdaging aan te gaan, gebruiken we een zeer dun membraan, in het bereik van 10 nanometer. Het is gemaakt van siliciumnitride, een standaard halfgeleidermateriaal. Het membraan is zo dun dat elektronen er met slechts een kleine hoeveelheid verstrooiing of verzwakking in kunnen doordringen, maar gassen en vloeistoffen niet. We gebruiken deze truc om de straal in de vloeistof te brengen. We deden het door een kleine secundaire kamer te maken met een venster van siliciumnitride en deze te vullen met een vloeibare voorloper voor de gelvorming. Vervolgens bestraalden we de vloeistof heel precies met elektronen, waardoor bepaalde patronen ontstonden. In de gebieden waar de elektronenstraal hem raakt, wordt de vloeistof chemisch gemodificeerd en wordt een gel gevormd.

Dat was ons grote idee:op deze manier de zachte laag creëren. Dan kun je het delamineren omdat het heel, heel dicht bij het membraan is gevormd. Daarna begin je met het kweken van de tweede laag, delamineer die, begin met het groeien van de derde laag, enzovoort. Dit was ons doel:een elektronenstraal gebruiken om een ​​laag voor laag gelstructuur in de vloeistof te creëren.

Tech Briefs: Dus de gels worden in bepaalde patronen gelegd?

Dr. Kolmakov: Ja, we hebben tot nu toe geen extreem complexe structuren gemaakt. Maar we hebben laten zien welke soorten eenvoudige structuren mogelijk zijn. Belangrijk is dat we ook hebben aangetoond hoe de delaminatie kan worden uitgevoerd. Wanneer u 3D-printen doet, wordt de delaminatie van de eerste laag van het membraan een probleem omdat het plakt. Je moet dus een procedure maken om het te delamineren, om een ​​tweede laag op de eerste te kunnen schrijven.

Tech Briefs: Is de gel een basisstructuur waarop je een biologische cel of een soort sensoren zou kunnen plaatsen?

Dr. Kolmakov: Ja, met de gels kun je heel veel doen. Als elektrische contacten kunnen bijvoorbeeld geleidende gels worden gebruikt. Of omdat ze transparant zijn, kunnen ze worden gebruikt om optische vezels te maken. Ook zouden sommige gels kunnen worden gemaakt om op bepaalde stimuli te reageren. Ze kunnen bijvoorbeeld gevoelig gemaakt worden voor temperatuur of pH. Je kunt veel functionaliteiten creëren door de moleculen van de gels aan te passen. Op deze manier kun je functionele objecten bouwen, zoals nanozwemmers of zachte microrobots.

Tech Briefs: Doet de elektronenstraal al deze modificaties?

Dr. Kolmakov: Nee, tot nu toe maakt de elektronenstraal zelf gewoon een vorm.

Tech Briefs: Dus, hoe doe je al die andere dingen?

Dr. Kolmakov: Je introduceert de functionaliteiten aan de gel zelf. We wilden bijvoorbeeld vochtigheid voelen en we wilden de sensor heel, heel klein maken. We hebben gouden nanodeeltjes aan de oplossing toegevoegd en tijdens het schrijfproces hebben we de deeltjes in de gelstructuur ingekapseld.

Tech Briefs: Dus je zegt dat je de deeltjes in het mengsel hebt gedaan en vervolgens de elektronenstraal hebt gebruikt om de structuur te maken.

Dr. Kolmakov: Ja, de deeltjes worden nu ingekapseld in de gel. De grootte van het gelmateriaal is erg gevoelig voor vochtigheid. Laten we zeggen dat het krimpt als het buiten droog is en opzwelt als het nat of vochtig is. Vervolgens verandert de afstand tussen de ingebedde deeltjes vanwege de vochtigheidsvariaties. Vervolgens kunt u de luchtvochtigheid bepalen door de kleur van de composietgel te controleren. De techniek die we gebruiken heet plasmonische excitatie. Je kunt naar het optische spectrum van het materiaal kijken en de afstand tussen de deeltjes bepalen. Dit is dus een eenvoudige manier om de luchtvochtigheid te controleren. Maar er zijn nog veel meer dingen die je kunt doen. U kunt bijvoorbeeld het gelmolecuul zelf veranderen, zodat het reageert op de pH. Je kunt dan zoiets als een robot maken die beweegt als de zuurgraad verandert. Een nanozwemmerrobot die in bepaalde delen van het lichaam wordt ingebracht, kan bewegen wanneer de pH van de oplossing verandert. Het voordeel is dat we, in tegenstelling tot andere technologieën die momenteel voor deze doeleinden worden gebruikt, de structuur extreem klein kunnen maken - we kunnen hem zelfs kleiner maken dan de cel zelf.

Tech Briefs: Kun je röntgenstralen gebruiken in plaats van elektronenstralen?

Dr. Kolmakov: Het maakt voor een groot deel niet uit wat voor ioniserende straling we gebruiken. Het voordeel van zowel elektronenstralen als röntgenstralen is dat je ze kunt focussen op een heel, heel klein plekje - je kunt ze allebei gebruiken om hele kleine structuren te schrijven. Röntgenstralen hebben echter hun eigen voordelen. Je kunt de energie van de straal veranderen door de golflengte te veranderen. Aangezien elk chemisch element röntgenstralen absorbeert op zeer specifieke golflengten, kunt u chemische specificiteit toevoegen aan het schrijfproces. U kunt bijvoorbeeld zuurstofhoudende gels ondieper of dieper schrijven als u de golflengte van de röntgenstralen dichter bij of weg van het punt van maximale zuurstofabsorptie afstemt.

Tech Briefs: Maar zijn ze niet gevaarlijker?

Dr. Kolmakov: Welnu, dit is ioniserende straling, dus er moeten passende veiligheidsmaatregelen worden genomen, zoals het voldoende afschermen van de straal van de gebruiker. Maar het is een kwestie van de dosis die nodig is om de media te wijzigen. Het vermogen van de elektronenstraal om water in oplossing te ioniseren is zeer effectief en vereist geen grote doses - dit is precies wat we gebruiken als verknopingsmiddel.

Tech Briefs: Zie je dit binnenkort commercieel worden gebruikt?

Dr. Kolmakov: De belangstelling van de industrie voor deze technologie zal afhangen van de mogelijkheden die we kunnen aantonen. Ik denk dat de grote uitdaging nu, bijvoorbeeld bij 3D-printen, is dat we de betrouwbaarheid van laag-voor-laag delaminatie van het substraat nog moeten verbeteren. Dus zodra we 3D-complexe submicronstructuren laten zien, zou de industrie geïnteresseerd moeten zijn in deze technologie voor het printen van zeer kleine dingen. We blijven hieraan werken.

Tech Briefs: Kan dit worden gedaan met commercieel beschikbare energiebronnen?

Dr. Kolmakov: Precies! Dat was ons doel, we wilden dit demonstreren aan de gemeenschap van mensen die werken met standaard scanning- of transmissie-elektronenmicroscopen, en er zijn er duizenden over de hele wereld. Er zijn ook mensen die röntgenmicroscopen bezitten (wat een nieuwe industrie is) - ze zijn onlangs beschikbaar gekomen voor laboratoria. Alle machines die we in ons lab gebruiken zijn commercieel. We hebben zojuist zeer eenvoudige, op maat gemaakte opstellingen toegevoegd. Het is dus zeker mogelijk om dit op grote schaal te doen. Sterker nog, er zijn nieuwe ontwikkelingen in de microscopie zelf. Sommige bedrijven zijn geïnteresseerd geraakt in het produceren van elektronenmicroscopen die in een omgeving kunnen werken, zoals in de lucht. Dat zou dan nog makkelijker zijn, want je zou je monster gewoon onder de microscoop in de lucht leggen.

Tech Briefs: Wat boeit je het meest aan dit project?

Dr. Kolmakov: Wat me het meest opwindt, is dat dit een gloednieuwe technologie is en dat we nog maar aan het begin ervan staan. Mijn wens is om enthousiaste partners en voldoende middelen en mankracht te vinden om het vooruit te helpen.

Tech Briefs: Wzou u met een commercieel bedrijf kunnen samenwerken om uw technieken te implementeren?

Dr. Kolmakov: Zeker, ik zou er blij mee zijn. Onze missie bij NIST is om de industrie te helpen nieuwe technologie of metrologie te ontwikkelen.

Tech Briefs: Het lijkt mij dat veel mensen hierin geïnteresseerd zouden moeten zijn.

Dr. Kolmakov: Juist, biologen die samenwerken met de grafische gemeenschap zouden geïnteresseerd zijn. Met behulp van de huidige 3D-bioprinttechnologie bouwen mensen bijvoorbeeld centimetergrote gelstructuren voor tissue engineering. Er is echter ook behoefte om zeer kleine structuren te printen, laten we zeggen op het niveau van de cel, of binnen de cel, maar dat is nog steeds sciencefiction. Er is nog geen markt - het is zo'n beetje een open ruimte. Als iemand met een verkoopbaar idee voor kunstmatige subcellulaire gelstructuren komt, zal de industrie meer geïnteresseerd raken. Het kan zijn dat we te vroeg zijn.

Tech Briefs: Kun je markten voorspellen?

Dr. Kolmakov: Een van de dingen die volgens mij interessant zullen zijn, is om onze technologie te koppelen aan computer-brein-interfacing. Daar liggen twee grote uitdagingen. De ene is de ontwikkeling van zachte elektroden die het hersenweefsel niet beschadigen en de andere is om deze elektroden in de hersenen af ​​te leveren.

Tech Briefs: Ik hoorde Elon Musk daarover praten.

Dr. Kolmakov: Ja. Het probleem is dat hij een oudere technologie gebruikt. Hun elektroden zijn solide - niet erg flexibel - en zijn niet extreem vriendelijk voor het weefsel. Het tweede is dat ze een operatie aan de schedel moeten doen om de elektroden te implanteren. Wat ik zie bij ons soort methode, is dat we de elektroden veel dunner, veel flexibeler en veel bio-vriendelijker kunnen maken. Onze elektroden kunnen ook elektronische en ionische signalen verzenden en zijn optisch transparant, zodat ze optische signalen heen en weer kunnen verzenden. Dus naar mijn mening is dit een veel beter vooruitzicht voor beeldvorming van hersenactiviteit dan iets anders. Dat is waarschijnlijk de populairste applicatie die ik me kan voorstellen. Vrijwel iedereen die nu in de zachte elektronica werkt, houdt rekening met de interface tussen hersenen en computers. In eerste instantie zal het voor mensen zijn die een deel van hun functioneren hebben verloren, bijvoorbeeld mobiliteit, omdat ze wanhopig zijn. Maar uiteindelijk — stel je voor dat je een tweede brein in je bezit hebt.

Ik denk dat er nu een heel klein gat is tussen sciencefiction en de realiteit... Dit is een enorm veld en wat we doen is slechts een heel kleine bijdrage. Mensen hebben veel geleerd door de signalen te gaan lezen die hersenen genereren. Het begrijpen van de hersenen heeft de manier waarop we computeren al veranderd en heeft geleid tot het begin van een nieuwe technologie:neuromorfisch computergebruik. Mensen proberen computers te maken met een compleet andere architectuur en taal, en zelfs logica, om mee te werken, terwijl ze nog steeds de normale elementen gebruiken, de gebruikelijke halfgeleiders. Het zou minder digitaal zijn en meer gericht op analoge en patroonherkenning en zou andere, bijvoorbeeld zachte materialen kunnen gebruiken, in plaats van anorganische transistors of andere apparaten zoals memristors.

Een bewerkte versie van dit interview verscheen in de Tech Briefs van december 2020.