科学家研发出可3D打印软材料

— 新方法可以迅速为人体制造微型医疗设备

日期:2020年9月22日
资源:美国国家标准技术研究院(NIST)
概要:研究人员开发了一种3D打印凝胶和其他柔软材料的新方法。它具有创建具有纳米级精度的复杂结构的潜力。

美国国家标准技术研究院(NIST)的研究人员开发了一种3D打印凝胶和其他软材料的新方法。发表在一篇新论文中,它具有创建具有纳米级精度的复杂结构的潜力。由于许多凝胶与活细胞兼容,因此新方法可以迅速开始生产柔软的微型医疗设备,例如药物输送系统或可以插入人体的柔性电极。

标准的3D打印机通过创建材料薄片(通常是塑料或橡胶)并逐层构建它们(例如千层面),直到创建整个对象来制造实体结构。

NIST研究员Andrei Kolmakov说,使用3D打印机制造由凝胶制成的物体“更多的是精致的烹饪过程”。在标准方法中,3D打印机腔室充满了溶解在水中的长链聚合物汤(长链分子结合在一起)。然后添加“香料”-对光敏感的特殊分子。当3D打印机发出的光激活这些特殊分子时,它们会将聚合物链缝合在一起,从而形成蓬松的网状结构。这种仍被液态水包围的脚手架是凝胶。

通常,现代3D凝胶打印机已使用紫外线或可见激光来启动凝胶支架的形成。但是,Kolmakov和他的同事将注意力集中在使用电子束或X射线制造凝胶的另一种3D打印技术上。因为这些类型的辐射比紫外线和可见光具有更高的能量或更短的波长,所以这些光束可以更紧密地聚焦,因此可以产生具有更精细结构细节的凝胶。这些细节正是组织工程以及许多其他医学和生物学应用所需的。电子和X射线提供了第二个优势:它们不需要特殊的分子集即可引发凝胶的形成。

但是目前,这种紧密聚焦的短波辐射的来源(扫描电子显微镜和X射线显微镜)只能在真空中运行。这是一个问题,因为在真空中每个腔室中的液体都会蒸发而不是形成凝胶。

科尔玛科夫和他的NIST以及意大利的Elettra Sincrotrone Trieste的同事解决了这个问题,并通过在真空和液体腔室之间放置一个超薄的隔离层(氮化硅薄片)来演示在液体中进行3D凝胶打印。薄板可防止液体蒸发(通常在真空中会发生蒸发),但允许X射线和电子渗透到液体中。该方法使团队能够使用3D打印方法来创建结构小至100纳米(nm)的凝胶-比人的头发薄约1000倍。通过改进他们的方法,研究人员希望将结构印在小病毒大小的50 nm处。

用这种方法制成的一些将来的结构可能包括用于监视大脑活动的柔性可注射电极,用于病毒检测的生物传感器,柔软的微型机器人以及可以模拟并与活细胞相互作用并为其生长提供培养基的结构。

科尔马科夫说:“我们正在将新工具(在液体中工作的电子束和X射线)引入3D打印的柔软材料中。” 他和他的合作者在9月16日在线发表在ACS Nano上的一篇文章中描述了他们的工作。

新闻来源:美国国家标准技术研究院(NIST)
引用:Tanya Gupta,Evgheni Strelcov,Glenn Holland,Joshua Schumacher,Yang Yang,Mandy B.Esch,Vladimir Aksyuk,Patrick Zeller,Matteo Amati,Luca Gregoratti,Andrei Kolmakov。电子和X射线聚焦在液体中的束流诱导的交联:迈向使用软材料的快速连续3D纳米打印和接口ACS Nano,2020年;DOI:10.1021 / acsnano.0c04266

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