Американські та італійські вчені розробили новий метод 3D-друку гідрогелевих структур з роздільною здатністю менше 100 нанометрів і без застосування фотоініціатора. У ньому для ствердування полімерних прекурсорів використовується сфокусований потік електронів або рентгенівське випромінювання, при цьому в безпечній для живих клітин дозі, тому таким способом можна фіксувати в гідрогелі клітини або мікроорганізми для подальшого вивчення, розповідають автори статті в.
У 3D-друку найбільш поширені екструзійні методи, при яких рідкий матеріал видавлюється з сопла і застигає. Друга велика група методів, яка більш популярна в медицині, використовує опромінення для ствердування рідких прекурсорів. Наприклад, у методі лазерної стереолітографії (SLA) лазерний промінь, зазвичай в ультрафіолетовому діапазоні, ковзає по дну судини з прекурсорами полімерів, завдяки чому в місцях його фокусування фотовідверджувальна речовина ініціює процес «зшивання» молекул-прекурсорів полімерів.
Також відносно недавно з'явився метод FEBID, в якому для ствердування використовується не ультрафіолетове випромінювання, а потік електронів. У ньому використовується невелика трубка, що подає на поверхню зразка газову фазу, молекули якої через фізичну адсорбцію проникають у поверхневі шари і під дією потоку електронів дисоціюють. В результаті на поверхні залишаються залишки молекул, потім процес повторюється вже з новим об'ємом газу з трубки. Цей метод дозволяє досягати нанометрової роздільної здатності друку, але через те, що в ньому використовується скануючий електронний мікроскоп з вакуумною камерою, з ним не можна використовувати поширені рідкі прекурсори, в тому числі для створення гідрогелів, необхідних у медичних дослідженнях.
Вчені під керівництвом Андрія Колмакова (Andrei Kolmakov) з Національного інституту стандартів і технологій США показали, що електронні або рентгенівські промені можна використовувати і з рідкими прекурсорами. Вчені створили дві камери, сумісні зі скануючими електронними мікроскопами. Камери мали круглу форму з трубками для подачі прекурсорів і вирізом зверху. У цей виріз вчені встановили кремнієву пластину з дев'ятьма прозорими для електронів і рентгенівських променів віконцями з нітриду кремнію товщиною 50 нанометрів і шириною 100 мікрометрів. Пластина герметично прикріплюється до стінок вирізу в камері і здатна витримати перепад тиску в одну атмосферу, що утворюється при відкачуванні повітря з робочої зони мікроскопа.
Всередину камери вчені подавали 20-відсотковий водний розчин поліетиленгліколю діакрилату (PEGDA), а потім переміщували сфокусований потік електронів або рентгенівських променів, викреслюючи потрібний візерунок. Ви можете керувати формованою структурою, змінюючи параметри випромінювання: енергію пучка, інтенсивність опромінення, крок або час витримки (час, який промінь проводить в одній точці). В результаті рідкий прекурсор «зшивається» і в рідині утворюється гідрогелева структура.
«Зшивання» молекул при опроміненні електронами відбувається за двома механізмами, співвідношення між якими залежить від безлічі факторів: прямої активації реакційних груп при попаданні електрона або радіолізу молекул розчину, в результаті якого утворюється безліч різних вільних радикалів, що сприяють з'єднанню мономерів. У даному випадку полімерізація відбувається в основному завдяки радіолізу.
Вивчаючи зразки гідрогелевих структур і порівнюючи їх параметри з розрахунковими, автори виявили, що в реальності розмір дрібних деталей структур виходить помітно більше. Вони припустили, що причина полягає в тому, що вільні радикали, які утворюються при радіолізі, перед реакцією встигають переміститися в розчині на деяку відстань. Спочатку вчені подумали, що за це відповідальні гідроксидні іони, але симуляція показала, що їх час життя і, отже, довжина пробігу недостатні, щоб пояснити різницю в розмірах. У підсумку вони виявили, що найімовірніше, за цей процес відповідають гідропероксильні іони, що утворюються при опроміненні розчину. При опроміненні рентгенівськими променями відбуваються схожі процеси, але електрони надходять в розчин не безпосередньо, а завдяки Оже-ефекту. Головна технологічна відмінність рентгенівських променів в цьому методі друку полягає в тому, що вони проникають в розчин прекурсорів на велику глибину і відповідно дозволяють друкувати більш глибокі структури.
Вчені показали, що метод можна застосовувати не тільки для безпосередньо друку, а й для захоплення об'єктів у гідрогель. Вони продемонстрували це на прикладі золотих наночастинок і живих клітин. У другому випадку крім здатності зафіксувати клітини в гідрогелі необхідно було з'ясувати, чи не буде рівень випромінювання критичним для клітин. Автори використовували лінію людських клітин аденокарциноми Caco-2 і опромінювали їх пучком електронів з енергією 10 кілоелектронвольт і середньою дозою опромінення вісім електронів на квадратний нанометр. Попередньо вчені додали в розчин модифікований флуорексон, який поглинається клітинами і перетворюється на флуоресцентний флуорексон, нездатний перейти через кленточну мембрану назовні. Дослідження показало, що клітини продовжили виробляти флуорексон після фіксації в гідрогелі, що підтверджує цілісність клітинних мембран.
Як одне з віддалених застосувань автори розглядають з'єднання нейронів з електродами за допомогою гідрогелю. Нещодавно інша група дослідників з США представила метод друку нейронних зондів і продемонструвала підключення зонда до мозку миші.