3D打印软材料的新方法可以跳跃创建身体的微小医疗器械

时间：2021-10-12 08:52:03 来源：

前瞻性生物相容性界面的插图显示了可以通过电子或X射线束3D打印过程产生的水凝胶（绿色管道）作为人工突触或结，将神经元（棕色）连接到电极（黄色）。

国家标准和技术研究所（NIST）的研究人员开发了一种新的3D印刷凝胶和其他柔软材料的方法。在一份新纸上发布，它有可能采用纳米级精度创造复杂的结构。由于许多凝胶与活细胞兼容，因此新方法可以跳跃 - 开始生产软微小医疗装置，例如可以插入人体中的药物输送系统或柔性电极。

标准3D打印机通过创建材料薄片 - 通常是塑料或橡胶制成固体结构 - 并通过层构建它们，如烤宽面条，直到创建整个物体。

使用3D打印机来制造由凝胶制成的物体是一个“更多的烹饪过程中，”NIST研究员Andrei Kolmakov说。在标准方法中，3D打印机室填充有长链聚合物的汤 - 长组分子粘合在一起 - 溶于水中。然后添加“香料” - 对光线敏感的特殊分子。当来自3D打印机的光激活那些特殊分子时，它们将聚合物链缝合在一起，使它们形成蓬松的Weblick结构。这种脚手架仍然被液态水包围，是凝胶。

通常，现代3D凝胶打印机使用紫外或可见激光来引发凝胶脚手架的形成。然而，Kolmakov和他的同事们将注意力集中在不同的3D印刷技术上，以使用电子或X射线的梁制造凝胶。因为这些类型的辐射具有较高的能量，或更短的波长，而不是紫外线和可见光，所以这些光束可以更加紧密地聚焦并因此产生具有更精细的结构细节的凝胶。这些细节正是组织工程和许多其他医学和生物学应用所需的内容。电子和X射线提供第二个优点：它们不需要特殊的分子来启动凝胶的形成。

但目前，这种紧密聚焦的短波辐射扫描电子显微镜和X射线显微镜的来源 - 只能在真空中运行。这是一个问题，因为在每个室中的液体中蒸发而不是形成凝胶。

KOLMAKOV及其在NIST的同事在意大利的ELETTRA Sincrootron Trieste，通过将超薄屏障 - 真空和液体室之间放置薄的氮化硅薄片来解决了液体中的问题和展示了3D凝胶印刷。薄片保护液体蒸发（如通常在真空中的那样），但允许X射线和电子渗透到液体中。该方法使该团队能够使用3D打印方法来创建具有小于100纳米（NM）的结构的凝胶 - 比人性更薄约1,000倍。通过改进它们的方法，研究人员预计将在凝胶上的结构压缩小于50 nm，小病毒的大小。

用这种方法制造的一些未来结构可以包括柔性可注射电极来监测脑活动，用于病毒检测的生物传感器，软微机器人和能够与活细胞进行效果并提供培养基的培养基。

“我们正在将新的工具 - 电子束和在液体中运行的X射线 - 进入软材料的3D打印中，”Kolmakov说。他和他的合作者在2020年9月16日在线发布的文章中在ACS Nano上发表了一篇文章。

参考：“电子和X射线聚焦光束引起的液体交联：由Tanya Gupta，Evgheni Strelcov，Glenn Holland，Joshua Schumher，Yang Yang，Mandy B. Esch，Vladimir Akyuk，Patrick Zeller，Matteo Amati，Luca Gregoratti和AndreiKolmakov，2020年9月16日，ACS nano.doi：
10.1021 / ACSNANO.0C04266

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