Forskare vid Advanced Science Research Center vid The Graduate Center, CUNY (CUNY ASRC) och Northwestern University har skapat en 4-D-skrivare som kan konstruera mönstrade ytor som återskapar komplexiteten hos cellytor. Teknologin, beskrivs i en nyligen publicerad artikel i Naturkommunikation , tillåter forskare att kombinera organisk kemi, ytvetenskap, och nanolitografi för att konstruera exakt designade nanopatronerade ytor som är dekorerade med känsliga organiska eller biologiska molekyler. Ytorna kommer att ha en mängd olika användningsområden, inklusive läkemedelsforskning, utveckling av biosensorer, och avancerad optik. Viktigt, denna teknik kan skapa ytor med olika material, och dessa material kan mönstras över ytan utan användning av dyra fotomasker eller tråkiga renrumsprocesser.

"Jag får ofta frågan om jag har använt detta instrument för att skriva ut en specifik kemikalie eller förbereda ett visst system, "sa studiens primära utredare Adam Braunschweig, en fakultetsmedlem vid CUNY ASRC Nanoscience Initiative och The Graduate Center och Hunter College Chemistry Department. "Mitt svar är att vi har skapat ett nytt verktyg för att utföra organisk kemi på ytor, och dess användning och tillämpning begränsas endast av användarens fantasi och deras kunskaper om organisk kemi. "

Utskriftsmetoden, kallad Polymer Brush Hypersurface Photolithography, kombinerar mikrofluidik, organisk fotokemi, och avancerad nanolitografi för att skapa en maskfri skrivare som kan förbereda multiplexerade matriser av känsligt organiskt och biologiskt material. Det nya systemet övervinner ett antal begränsningar som finns i andra trycktekniker för biomaterial, tillåter forskare att skapa 4-D-objekt med exakt strukturerad materia och skräddarsydd kemisk sammansättning vid varje voxel-en förmåga som författarna kallar "hyperytlitografi".

"Forskare har arbetat för att använda litografiska tekniker för att mönstra ytor med biomolekyler, men hittills har vi inte utvecklat ett tillräckligt sofistikerat system för att konstruera något så komplicerat som en cellyta, "sa Daniel Valles, ett forskarcenter, CUNY doktorand i Braunschweigs lab. "Vi tänker oss att använda detta system för att montera syntetiska celler som gör att forskare kan replikera och förstå interaktioner som uppstår på levande celler, vilket kommer att leda till en snabb utveckling av läkemedel och annan bioinspirerad teknik. "

Som bevis på konceptet, forskarna skrev ut polymerborstmönster med exakta doser av ljus för att styra polymerhöjden vid varje pixel. Som illustreras av Lady Liberty -bilden, samordning mellan mikrofluidiken och ljuskällan styr den kemiska sammansättningen vid varje pixel.

"Polymerkemi ger en så kraftfull uppsättning verktyg, och innovationer inom polymerkemi har varit viktiga drivkrafter för teknik under det senaste århundradet, "sa tidningens medförfattare Nathan Gianneschi, som är Jacob &Rosaline Cohn professor i kemi, Materialvetenskap och teknik, och biomedicinsk teknik vid Northwestern University. "Detta arbete utvidgar denna innovation till gränssnitten där godtyckliga strukturer kan skapas på ett mycket kontrollerat sätt, och på ett sätt som gör att vi kan karakterisera det vi har gjort och att generalisera det till andra polymerer. "

"Det här dokumentet är en demonstration av vad som kan göras med massivt parallella litografiverktyg, sa Chad Mirkin, George B. Rathmann, Professor i kemi och chef för International Institute for Nanotechnology vid Northwestern University Weinberg College of Arts and Sciences, som inte är medförfattare till studien. "Medförfattarna har skapat en kraftfull uppsättning funktioner som bör användas kraftigt inom kemin, materialvetenskap, och biologiska samhällen. "

Forskarna planerar att fortsätta utvecklingen av denna nya tryckplattform för att öka systemhastigheten, minska pixeldimensioner, och utveckla nya kemier för att öka omfattningen av material som kan mönstras. För närvarande, de använder mönstren som skapats av denna plattform för att förstå de subtila interaktioner som dikterar igenkänning i biologiska system.