Pionierswerk in elektronenbundel 3D-printen van microgelstructuren in vloeistofomgevingen

Dr. Andrei Kolmakov en een team van onderzoekers aan het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een methode ontwikkeld voor 3D-printen van minuscule gelstructuren in vloeistoffen met elektronenbundels — een methode die eerder beperkt was tot vastestoffen.

Van elektronenmicroscopie naar 3D-printen in vloeistof

Dr. Andrei Kolmakov: Een van de projecten die we draaien, is het gebruik van elektronenmicroscopie in ongewone omgevingen. Elektronenmicroscopen werken meestal in vacuüm. Er zijn veel processen, bijvoorbeeld in batterijen, katalyse, en in de halfgeleiderindustrie, waar je naar objecten wilt kijken die in hoge druk gas of vloeistofomgevingen zijn. Dat is moeilijk met een elektronenmicroscoop omdat het niet diep in dichte materialen penetrateert.

Tech Briefs: Wat heeft je geïnteresseerd in dit project?

Als onderdeel van ons onderzoek werkten we aan technieken om elektronenbeelmogelijkheden te ontwikkelen voor verschillende toepassingen. Een keer, op een Materials Research Society (MRS) vergadering, opviel me een bio-gerelateerd exhibit, waar een extrudeerprinter hydrogels printte door een kleine hoeveelheid vloeibare gel te extruderen, die gegelatineerd — verziligd — werd door UV-licht. Ik voelde direct dat ons werk aan elektronenmicroscopie in vloeistoffen kon bijdragen aan het printen van gels. Voor ons maakt het niet uit of we beelden of iets doen in een vloeistof of in een vloeibare gel-voorloper.

De week erop, deden mijn post-doc en ik een test om te zien of het haalbaar was, en tot onze verbazing was het makkelijk. Dus besloten we dat we op iets groots stonden. We besteedden een jaar of meer aan verschillende soorten tests, deze technieken ontwikkelend en zo is het gebeurd.

Het was uitdagend omdat niet zoveel bekend is over ons proces. De bestudering van cross-linking, de vorming van grotere moleculen uit vloeistoffen, uit kleinere voorlopers, met elektronen of gamma-straling of röntgenstraling komt basis uit de jaren 1960 stralingsfysica. Maar voor ons gebruikte niemand hooggefocuste lage-energie elektronenbundels voor dit soort processen. We besloten dat dit een nieuwe deur kon openen in synthetise, lithografie, of zelfs 3D-printen.

Hoe gels gewoonlijk gecreëerd worden

Tech Briefs: Hoe worden gels gewoonlijk gecreëerd?

Dr. Kolmakov: Voor commerciële gelprinters wordt dit meestal gedaan met UV-licht. Echter, deze printers hebben een zeer lage resolutie vergeleken met ons. Ze hebben typisch een millimeter feature size, terwijl we naar het nanometersniveau 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-voorlopersoplossing in het geval van bio-printers, en omdat het viskeus is, kan de vloeistof langzaam geëxtrudeerd worden door een dijk. Je kunt de geëxtrudeerde vloeistof op een controleerbare manier plakken door de dijk over een oppervlak te bewegen. Dan kun je UV-licht gebruiken om te curen — te verziligen — de laag die je gemaakt hebt. Speciale chemicaliën, initiators genaamd, moeten in de oplossing ingesloten zijn om deze soort van verziliging mogelijk te maken bij bestraling met UV-licht. Je moet deze chemicaliën gebruiken omdat de gewone gel niets doet met licht, het is transparant.

In ons geval gebruiken we noch een dijk noch initiators. We kunnen werken met alleen de vloeibare voorloper zoals het is, omdat de elektronenbundel zelf de initiatie in het water doet.

De gel-voorlopersoplossing is een wateroplossing van een ensemble van moleculen die cross-linked zijn — heel lange moleculen chemisch verbonden. 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 is contactlenzen. Echter, de behoefte bestaat, vooral in de biologie, om complexere structuren te maken. Als je bijvoorbeeld kunstmatige organen wilt maken, zeg een oor, kun je een scaffold van de gel maken en het bevolken met biologische cellen die aan de gel zullen hechten en daar zullen 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 zeg je wilt een elektrisch contact maken met de cel, om een signaal heen en weer te sturen. Je moet het voorzichtig doen, zonder de cel te veel te storen omdat een biologische cel een heel kwetsbaar organisme is. Je kunt proberen verbinding te maken met een draad, maar dat kan destructief zijn zelfs als je het voorzichtig doet. In ons geval zijn we in staat om gels zo klein te produceren dat we een heel klein contact kunnen maken met extreme precisie. We kunnen dit doen vanwege de mogelijkheid van elektronenbundels om te focusseren op heel, heel kleine gebieden.

En, nog een ding, de initiatior chemicaliën waar ik eerder over sprak zijn vaak toxisch. Als je iets heel kleins wilt printen met state-of-the-art two-photon 3D-printtechnieken, moet je de concentratie van de initiators verhogen, zodat de gel nog giftiger wordt voor cellulair materiaal. In ons geval kunnen we extreem kleine features maken zonder enige toxische initiators te gebruiken.

Het proces in detail

Tech Briefs: Laat me controleren of ik het basisproces volg. De manier waarop ik het zie, 3D-print je met de gel — je depot de gel op een substraat. Is dat correct?

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 heel, heel fijn elektronenbundel erin. De bundel kan zo klein zijn als drie nanometer. Als je monster in de vacuümkamer zit, kun je de bundel over het oppervlak scannen en een signaal krijgen, en daaruit krijg je een beeld. Of, als je iets wilt fabriceren, kun je, zeg, een laag materiaal neerleggen — mensen gebruiken dit voor de halfgeleiderindustrie — je legt een film van fotoweerstand neer. Je kunt dan iets tekenen op deze weerstand, het chemisch wijzigen met een elektronenbundel op de vaste film en het daarna behandelen met speciale chemicaliën voor verwijdering. Dan krijg je een patroon op het oppervlak van het monster. Dat zijn standaard elektronenmicroscopie en elektronenlithografie procedures.

Dat is prima met vaste films of objecten, maar we willen zo iets in vloeistoffen doen. Het probleem is dat vloeistoffen niet in een vacuüm duren, ze verdampen. De microscoop zou gecontamineerd raken — en dat is heel duur.

Om deze uitdaging aan te pakken, gebruiken we een heel dunne membraan, in de 10-nanometer range. Het is gemaakt van siliciumnitride, wat een standaard halfgeleidermateriaal is. De membraan is zo dun dat elektronen het met slechts een kleine hoeveelheid verstrooiing of attenuatie kunnen penetreren, maar gassen en vloeistoffen niet. We gebruiken deze truc om de bundel in de vloeistof te leveren. We deden het door een kleine secundaire kamer te creëren met een siliciumnitride venster en het te vullen met een vloeibare voorloper voor de gelvorming. We bestraalde de vloeistof dan heel precies met elektronen, creërend bepaalde patronen. In de gebieden waar de elektronenbundel het treft, wordt de vloeistof chemisch gemodificeerd, en een gel wordt gevormd.

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

Functionele gels en toepassingen

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

Dr. Kolmakov: Ja, we hebben nog geen extreem complexe structuren gecreëerd. Maar we hebben de soorten eenvoudige structuren gedemonstreerd die mogelijk zijn. Belangrijk is dat we ook de manier gedemonstreerd hebben waarop delaminatie gedaan kon worden. Wanneer je 3D-print, wordt de delaminatie van de eerste laag van de membraan een kwestie omdat het plakt. Dus moet je een procedure creëren voor het delamineren, om in staat te zijn een tweede laag bovenop de eerste te schrijven.

Tech Briefs: Is de gel een basise structuur waarop je een biologische cel of sommige soorten sensoren kunt plaatsen?

Dr. Kolmakov: Ja, met de gels kun je veel dingen doen. Bijvoorbeeld, geleidende gels kunnen gebruikt worden als elektrische contacten. Of aangezien ze transparant zijn, kunnen ze gebruikt worden om optische vezels te maken. Ook kunnen sommige gels gemaakt worden om reactief te zijn op bepaalde stimuli. Bijvoorbeeld, ze kunnen gevoelig gemaakt worden voor temperatuur of pH. Je kunt veel functionaliteiten creëren door de moleculen van de gels te wijzigen. Op deze manier kun je functionele objecten bouwen zoals nanoswimmers of zachte micro-robots.

Tech Briefs: Doet de elektronenbundel al deze modificaties?

Dr. Kolmakov: Nee, tot nu toe maakt de elektronenbundel zelf alleen een vorm.

Tech Briefs: Hoe doe je dan al de andere dingen?

Dr. Kolmakov: Je introduceert de functionaliteiten in de gel zelf. Bijvoorbeeld, we wilden vochtigheid meten en we wilden de sensor heel, heel klein maken. We voegden goudnanodeeltjes toe aan de oplossing en tijdens het schrijfproces, encapsuleerden we de deeltjes binnen de gelstructuur.

Tech Briefs: Dus je zegt dat je de deeltjes in de mengsel zet en dan gebruikte je de elektronenbundel om de structuur te maken.

Dr. Kolmakov: Ja, de deeltjes worden nu geencapsuleerd binnen de gel. De grootte van het gelmateriaal is heel gevoelig voor vochtigheid. Laten we zeggen het krimpt als het droog is buiten en zwelt als het nat of vochtig is. Dan verandert de afstand tussen de ingesloten deeltjes door de vochtigheidsvariaties. Je kunt dan de vochtigheid bepalen door de kleur van de composietgel te monitoren. De techniek die we gebruiken heet plasmonische excitatie. Je kunt kijken naar het optische spectrum van het materiaal en de afstand tussen de deeltjes bepalen. Dus dit is een eenvoudige manier om vochtigheid te monitoren. Maar er zijn veel andere dingen die je kunt doen. Bijvoorbeeld, je kunt het gelmolecuul zelf veranderen zodat het reageert op pH. Je kunt dan iets maken als een robot die beweegt wanneer de zuurgraad verandert. Een nanoswimmer robot ingevoegd in bepaalde gebieden van het lichaam kan bewegen wanneer de pH van de oplossing verandert. Het voordeel is dat, anders dan andere technologieën die momenteel voor deze doeleinden gebruikt worden, we de structuur extreem klein kunnen maken — we kunnen het eigenlijk kleiner maken dan de cel zelf.

Röntgenstraling als alternatief

Tech Briefs: Kun je röntgenstraling gebruiken in plaats van elektronenbundels?

Dr. Kolmakov: In grote mate maakt het niet uit welke ioniserende straling we gebruiken. Het voordeel van zowel elektronenbundels als röntgenstraling is dat je ze in een heel, heel kleine plek kunt focusseren — je kunt een van beide gebruiken om heel kleine structuren te schrijven. Echter, röntgenstraling heeft hun eigen voordelen. Je kunt de energie van de bundel veranderen door de golflengte te veranderen. Aangezien elk chemisch element röntgenstraling absorbeert op heel specifieke golflengtes, kun je chemische specificiteit in het schrijfproces toevoegen. Bijvoorbeeld, je kunt zuurstofbevattende gels ondieper of dieper schrijven als je de golflengte van de röntgenstraling afstemt dichter bij, of verder van, het punt van maximale zuurstofabsorptie.

Tech Briefs: Maar zijn ze niet gevaarlijker?

Dr. Kolmakov: Nou, dit is ioniserende straling, dus passende veiligheidsmaatregelen moeten genomen worden, zoals voldoende afscherming van de bundel van de gebruiker. Maar het is een kwestie van de dosis nodig om het medium te wijzigen. De mogelijkheid van de elektronenbundel om water in oplossing te ioniseren is heel effectief en vereist geen grote doses — dit is precies wat we gebruiken als cross-linking agent.

Commerciële toekomst

Tech Briefs: Zie je dit commercieel binnenkort gebruikt worden?

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

Tech Briefs: Kun dit gedaan worden 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 duizenden van hen overal ter wereld. Ook zijn er mensen die röntgenmicroscopen bezitten (wat een nieuwe industrie is) — ze zijn recent beschikbaar gekomen voor labs. Alle machines die we in ons lab gebruiken zijn commercieel. We hebben alleen heel eenvoudige custom-made setups toegevoegd. Dus, het is zeker mogelijk om dit op grote schaal te doen. Nog meer, er zijn nieuwe ontwikkelingen in de microscopie zelf. Sommige bedrijven zijn geïnteresseerd in het produceren van elektronenmicroscopen die in staat zijn om in een omgevingsomgeving te opereren, zoals in lucht. Dat zou nog makkelijker zijn, want dan zou je gewoon je monster in lucht onder de microscoop leggen.

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

Dr. Kolmakov: Wat me het meest boeit is dat dit een geheel nieuwe technologie is en we zijn er bij het absolute begin van. Mijn wens is om enthousiaste partners en voldoende middelen en mankracht te vinden om het vooruit te helpen.

Tech Briefs: Zou je in staat zijn om met een commercieel bedrijf samen te werken om je technieken te implementeren?

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

Tech Briefs: Het lijkt me dat genoeg mensen geïnteresseerd zouden moeten zijn in dit.

Dr. Kolmakov: Klopt, biologen die werken met de printgemeenschap zouden geïnteresseerd zijn. Bijvoorbeeld, met huidige 3D bioprinttechnologie bouwen mensen centimeters-grote gelstructuren voor weefselengineering. Echter, er is ook een behoefte om heel kleine structuren te printen, laten we zeggen op het niveau van de cel, of binnen de cel, maar dat is nog science fiction. Er is nog geen markt — het is vrijwel een open ruimte. Als iemand een commercieel haalbaar idee opdoet voor kunstmatige subcellulaire gelstructuren, zal de industrie geïnteresseerder worden. Het kan zijn dat we te vroeg zijn.

Tech Briefs: Kun je markten voorspellen?

Dr. Kolmakov: Nou, een van de dingen die ik denk dat interessant zal zijn, is onze technologie te koppelen aan computer-herseninterfacing. Er zijn twee grote uitdagingen daar. Een is het ontwikkelen van zachte elektrodessen die hersenweefsel niet beschadigen en de ander is om deze elektrodessen in de hersenen te leveren.

Tech Briefs: Ik hoorde Elon Musk erover praten.

Dr. Kolmakov: Ja. Het probleem is dat hij een oudere technologie gebruikt. Hun elektrodessen zijn vast — niet erg flexibel — en niet extreem vriendelijk voor het weefsel. Het tweede is dat ze een operatie op het schedel moeten doen om de elektrodessen te implanteren. Wat ik zie met ons soort methode, is dat we de elektrodessen veel dunner, veel flexibeler en veel bio-vriendelijker kunnen maken. Ook kunnen onze elektrodessen elektronische en ionische signalen doorgeven, en zijn optisch transparant, dus ze kunnen optische signalen heen en weer doorgeven. Dus naar mijn mening is dit een veel betere kans voor hersenactiviteitsimaging dan alles anders. Dat is waarschijnlijk de meest hitte toepassing die ik me kan voorstellen. Praktisch iedereen die werkt in zachte elektronica houdt nu rekening met brain-computer interfacing. Initieel zal het voor mensen zijn die sommige functies verloren hebben, bijvoorbeeld mobiliteit, omdat ze desperaat zijn. Maar uiteindelijk — stel je voor dat je een tweede hersenen in je bezit hebt.

Er is een heel kleine kloof, denk ik, tussen science fiction en realiteit nu… Dit is een enorm veld en wat we doen is slechts een heel kleine bijdrage. Mensen hebben veel geleerd door te beginnen met het lezen van de signalen die hersenen genereren. Het begrijpen van de hersenen heeft al de manier veranderd waarop we computing doen en geleid tot het begin van een nieuwe technologie: neuromorfische computing. Mensen proberen computers te creëren met een compleet andere architectuur en taal, en zelfs logica, om mee te werken, terwijl ze nog steeds de normale elementen, de gebruikelijke halfgeleiders gebruiken. Het zou minder digitaal en meer in analoge en patroonherkenning zijn en kan verschillende, bijvoorbeeld zachte materialen gebruiken, in plaats van anorganische transistors of andere apparaten zoals memristors.

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