Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har utvecklat en ny metod för 3-D-utskrift av geler och andra mjuka material. Publicerad i en ny tidning, den har potential att skapa komplexa strukturer med precision i nanometerskala. Eftersom många geler är kompatibla med levande celler, den nya metoden skulle kunna sätta fart på produktionen av mjuka små medicinska apparater som läkemedelstillförselsystem eller flexibla elektroder som kan sättas in i människokroppen.

En vanlig 3-D-skrivare gör solida strukturer genom att skapa ark av material - vanligtvis plast eller gummi - och bygga upp dem lager för lager, som en lasagne, tills hela objektet är skapat.

Att använda en 3D-skrivare för att tillverka ett föremål gjord av gel är lite mer av en delikat matlagningsprocess, " sa NIST-forskaren Andrei Kolmakov. I standardmetoden, 3D-skrivarkammaren är fylld med en soppa av långkedjiga polymerer – långa grupper av molekyler som är sammanbundna – lösta i vatten. Sedan tillsätts "kryddor" — speciella molekyler som är känsliga för ljus. När ljus från 3D-skrivaren aktiverar dessa speciella molekyler, de syr ihop kedjorna av polymerer så att de bildar en fluffig vävliknande struktur. Denna ställning, fortfarande omgiven av flytande vatten, är gelén.

Vanligtvis, moderna 3-D gelskrivare har använt ultraviolett eller synligt laserljus för att initiera bildandet av gelställningen. Dock, Kolmakov och hans kollegor har fokuserat sin uppmärksamhet på en annan 3D-utskriftsteknik för att tillverka geler, med hjälp av elektronstrålar eller röntgenstrålar. Eftersom dessa typer av strålning har en högre energi, eller kortare våglängd, än ultraviolett och synligt ljus, dessa strålar kan fokuseras hårdare och producerar därför geler med finare strukturella detaljer. Sådana detaljer är precis vad som behövs för vävnadsteknik och många andra medicinska och biologiska tillämpningar. Elektroner och röntgenstrålar erbjuder en andra fördel:De kräver inte en speciell uppsättning molekyler för att initiera bildandet av geler.

Men för närvarande, källorna till detta hårt fokuserade, kortvågig strålning - svepelektronmikroskop och röntgenmikroskop - kan bara fungera i vakuum. Det är ett problem eftersom vätskan i varje kammare avdunstar i ett vakuum istället för att bilda en gel.

Kolmakov och hans kollegor vid NIST och vid Elettra Sincrotrone Trieste, i Italien, löste problemet och demonstrerade 3D-gelutskrift i vätskor genom att placera en ultratunn barriär – ett tunt ark av kiselnitrid – mellan vakuumet och vätskekammaren. Det tunna arket skyddar vätskan från att avdunsta (som det vanligtvis skulle göra i vakuum) men tillåter röntgenstrålar och elektroner att tränga in i vätskan. Metoden gjorde det möjligt för teamet att använda 3D-utskriftsmetoden för att skapa geler med strukturer så små som 100 nanometer (nm) - ungefär 1, 000 gånger tunnare än ett människohår. Genom att förfina sin metod, forskarna förväntar sig att prägla strukturer på gelerna så små som 50 nm, storleken på ett litet virus.

Några framtida strukturer gjorda med detta tillvägagångssätt kan inkludera flexibla injicerbara elektroder för att övervaka hjärnans aktivitet, biosensorer för virusdetektion, mjuka mikrorobotar, och strukturer som kan efterlikna och interagera med levande celler och tillhandahålla ett medium för deras tillväxt.

"Vi tar med nya verktyg - elektronstrålar och röntgenstrålar som verkar i vätskor - till 3D-utskrift av mjuka material, " sa Kolmakov. Han och hans medarbetare beskrev sitt arbete i en artikel som publicerades online den 16 september i ACS Nano .

Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av NIST. Läs den ursprungliga historien här.