T&J:Metode Baru untuk Pencetakan 3D Struktur Gel Kecil

Andrei Kolmakov dan tim peneliti di Institut Nasional Standar dan Teknologi (NIST) telah mengembangkan metode untuk pencetakan 3D struktur gel kecil dalam cairan dengan berkas elektron — metode yang sebelumnya terbatas pada padatan.

Dr. Andrei Kolmakov: Salah satu proyek yang kami jalankan, menggunakan mikroskop elektron di lingkungan yang tidak biasa. Mikroskop elektron biasanya bekerja dalam ruang hampa. Ada banyak proses, misalnya, dalam baterai, katalisis, dan dalam industri semikonduktor, di mana Anda ingin melihat objek yang berada di lingkungan gas atau cairan bertekanan tinggi. Itu sulit dilakukan dengan mikroskop elektron karena tidak menembus terlalu dalam ke bahan padat.

Ringkasan Teknologi: Apa yang membuat Anda tertarik dengan proyek ini?

Sebagai bagian dari penelitian kami, kami sedang mengerjakan teknik untuk mengembangkan kemampuan pencitraan elektron untuk aplikasi yang berbeda. Suatu kali, pada pertemuan Material Research Society (MRS) saya melihat pameran terkait bio, di mana printer ekstrusi mencetak hidrogel dengan mengekstrusi sejumlah kecil gel cair, yang menjadi gel — dipadatkan — oleh sinar UV. Saya segera merasa bahwa pekerjaan kami pada mikroskop elektron dalam cairan dapat berkontribusi untuk mencetak gel. Bagi kami, tidak masalah jika kami menggambar atau melakukan sesuatu dalam cairan atau prekursor gel cair.

Minggu berikutnya, pasca-dokter saya dan saya melakukan tes untuk melihat apakah itu layak, dan yang mengejutkan kami, itu mudah. Jadi, kami memutuskan untuk melakukan sesuatu yang besar. Kami menghabiskan satu tahun atau lebih pada berbagai jenis tes, mengembangkan teknik ini dan begitulah yang terjadi.

Itu menantang karena tidak banyak yang diketahui tentang proses kami. Studi tentang cross-linking, pembentukan molekul yang lebih besar dari cairan, dari prekursor yang lebih kecil, menggunakan elektron atau sinar gamma atau sinar-x pada dasarnya berasal dari fisika radiasi tahun 1960-an. Tapi sebelum kita, tidak ada yang menggunakan berkas elektron energi rendah yang sangat terfokus untuk proses semacam ini. Kami memutuskan ini dapat membuka pintu baru dalam sintesis, litografi, atau bahkan pencetakan 3D.

Ringkasan Teknologi: Bagaimana gel biasanya dibuat?

Dr. Kolmakov: Untuk printer gel komersial, biasanya dilakukan dengan sinar UV. Namun, printer ini memiliki resolusi yang sangat rendah dibandingkan dengan kami. Mereka biasanya memiliki ukuran fitur milimeter, sedangkan kita bisa mencapai tingkat nanometer — satu juta kali lebih kecil.

Cara kerja printer 3D standar, apakah Anda memiliki cairan:plastik cair, atau larutan prekursor gel cair dalam kasus bio-printer, dan karena kental, cairan dapat dikeluarkan secara perlahan melalui nosel. Anda dapat menempelkan cairan yang diekstrusi dengan cara yang dapat dikontrol dengan menggerakkan nosel di atas permukaan. Kemudian, Anda dapat menggunakan sinar UV untuk menyembuhkan — memantapkan — lapisan yang Anda buat. Bahan kimia khusus, yang disebut inisiator, harus dimasukkan ke dalam larutan untuk memungkinkan pemadatan semacam ini setelah disinari dengan sinar UV. Anda harus menggunakan bahan kimia ini karena gel yang biasa tidak melakukan apa pun dengan cahaya, itu transparan.

Dalam kasus kami, kami tidak menggunakan nozzle atau inisiator. Kita dapat bekerja hanya dengan prekursor cair apa adanya, karena berkas elektron itu sendiri yang melakukan inisiasi di dalam air.

Larutan prekursor gel adalah larutan air dari ensemble molekul yang saling terkait — molekul yang sangat panjang terhubung bersama secara kimiawi. Anda bisa mengisinya dengan air, dan itu membengkak karena air mengisi ruang di antara molekul, atau Anda bisa mengeringkannya dan menyusut.

Salah satu contoh aplikasi gel yang khas adalah lensa kontak. Namun, kebutuhan ada, terutama dalam biologi, untuk membuat struktur yang lebih kompleks. Misalnya, jika Anda ingin membuat organ buatan, katakanlah telinga, Anda bisa membuat perancah dari gel dan mengisinya dengan sel biologis yang akan menempel pada gel dan tumbuh di sana. Itulah mengapa industri bio tertarik dengan teknik semacam ini.

Bayangkan sekarang Anda ingin membuat sesuatu yang sangat kecil, pada dasarnya pada tingkat sel biologis individu itu sendiri. Atau katakanlah Anda ingin membuat kontak listrik ke sel, untuk mengirim sinyal bolak-balik. Anda harus melakukannya dengan lembut, tanpa terlalu mengganggu sel karena sel biologis adalah organisme yang sangat rapuh. Anda dapat mencoba menghubungkannya dengan kabel, tetapi itu bisa merusak bahkan jika Anda melakukannya dengan lembut. Dalam kasus kami, kami dapat menghasilkan gel yang sangat kecil sehingga kami dapat membuat kontak yang sangat kecil dengan presisi yang sangat tinggi. Kita dapat melakukan ini karena kemampuan berkas elektron untuk difokuskan pada area yang sangat, sangat kecil.

Dan, hal lain, bahan kimia pencetus yang saya bicarakan sebelumnya seringkali beracun. Jika Anda ingin mencetak sesuatu yang sangat kecil menggunakan teknik pencetakan 3D dua foton yang canggih, Anda harus meningkatkan konsentrasi inisiator, sehingga gel menjadi lebih beracun untuk bahan seluler. Dalam kasus kami, kami dapat membuat fitur yang sangat kecil tanpa menggunakan inisiator beracun.

Ringkasan Teknologi: Biarkan saya memastikan saya mengikuti proses dasar. Cara saya melihatnya, Anda mencetak 3D dengan gel — Anda menyimpan gel pada substrat. Benarkah?

Dr. Kolmakov: Biarkan saya menjelaskan prosesnya secara lebih rinci. Bayangkan Anda memiliki mikroskop elektron pemindaian standar. Ini adalah ruang vakum dengan berkas elektron yang sangat, sangat halus di dalamnya. Sinarnya bisa sekecil tiga nanometer. Jika sampel Anda berada di dalam ruang vakum, Anda dapat memindai sinar di atas permukaan dan mendapatkan sinyal darinya, dan dari sana, Anda mendapatkan gambar. Atau, jika Anda ingin membuat sesuatu, Anda bisa meletakkan, katakanlah, lapisan bahan — orang menggunakannya untuk industri semikonduktor — Anda meletakkan film photoresist. Anda kemudian dapat menggambar sesuatu pada resist ini, memodifikasinya secara kimiawi dengan berkas elektron pada film padat dan memperlakukannya setelah itu dengan bahan kimia khusus untuk menghilangkannya. Kemudian Anda akan mendapatkan pola di permukaan sampel. Itu adalah prosedur standar mikroskop elektron dan litografi elektron.

Tidak masalah dengan film atau objek padat, tetapi kami ingin melakukan hal seperti itu dalam cairan. Masalahnya adalah cairan tidak bertahan dalam ruang hampa, mereka menguap. Mikroskop akan terkontaminasi — dan itu sangat mahal.

Untuk menangani tantangan ini, kami menggunakan membran yang sangat tipis, dalam kisaran 10 nanometer. Itu terbuat dari silikon nitrida, yang merupakan bahan semikonduktor standar. Membran sangat tipis sehingga elektron dapat menembusnya hanya dengan sedikit hamburan atau redaman, tetapi gas dan cairan tidak bisa. Kami menggunakan trik ini untuk mengirimkan balok ke dalam cairan. Kami melakukannya dengan membuat ruang sekunder kecil dengan jendela silikon nitrida dan mengisinya dengan cairan prekursor untuk pembentukan gel. Kami kemudian menyinari cairan dengan sangat tepat dengan elektron, menciptakan pola tertentu. Di area di mana berkas elektron mengenainya, cairan tersebut dimodifikasi secara kimiawi, dan sebuah gel terbentuk.

Itu adalah ide utama kami:untuk membuat lapisan lunak dengan cara ini. Kemudian Anda dapat menghilangkannya karena terbentuk sangat, sangat dekat dengan membran. Setelah itu, Anda mulai menumbuhkan lapisan kedua, delaminasi itu, mulai menumbuhkan lapisan ketiga, dan seterusnya. Ini adalah tujuan kami — menggunakan berkas elektron untuk membuat struktur gel lapis demi lapis di dalam cairan.

Ringkasan Teknologi: Jadi, gel diletakkan dalam pola tertentu?

Dr. Kolmakov: Ya, kami belum membuat struktur yang sangat kompleks sejauh ini. Tapi kami telah menunjukkan jenis struktur sederhana yang mungkin. Yang penting, kami juga telah menunjukkan cara delaminasi dapat dilakukan. Saat melakukan pencetakan 3D, delaminasi lapisan pertama dari membran menjadi masalah karena menempel. Jadi, Anda harus membuat prosedur untuk delaminasi, untuk dapat menulis lapisan kedua di atas lapisan pertama.

Ringkasan Teknologi: Apakah gel merupakan struktur dasar tempat Anda dapat meletakkan sel biologis atau semacam sensor?

Dr. Kolmakov: Ya, dengan gel Anda bisa melakukan banyak hal. Misalnya, gel konduktif dapat digunakan sebagai kontak listrik. Atau karena transparan, mereka dapat digunakan untuk membuat serat optik. Juga, beberapa gel dapat dibuat menjadi reaktif terhadap rangsangan tertentu. Misalnya, mereka dapat dibuat sensitif terhadap suhu atau pH. Anda dapat membuat banyak fungsi dengan memodifikasi molekul gel. Dengan cara ini, Anda dapat membuat objek fungsional seperti perenang nano atau robot mikro lunak.

Ringkasan Teknologi: Apakah berkas elektron melakukan semua modifikasi ini?

Dr. Kolmakov: Tidak, sejauh ini, berkas elektron itu sendiri hanya membuat bentuk.

Ringkasan Teknologi: Jadi, bagaimana Anda melakukan semua hal lainnya?

Dr. Kolmakov: Anda memperkenalkan fungsionalitas ke gel itu sendiri. Misalnya, kami ingin merasakan kelembapan dan kami ingin membuat sensornya sangat, sangat kecil. Kami menambahkan nanopartikel emas ke dalam larutan dan selama proses penulisan, kami mengenkapsulasi partikel di dalam struktur gel.

Ringkasan Teknologi: Jadi, Anda mengatakan Anda memasukkan partikel ke dalam campuran dan kemudian Anda menggunakan berkas elektron untuk membuat strukturnya.

Dr. Kolmakov: Ya, partikel sekarang menjadi terbungkus di dalam gel. Ukuran bahan gel sangat sensitif terhadap kelembaban. Katakanlah menyusut jika kering di luar dan membengkak ketika basah atau lembab. Kemudian, jarak antara partikel yang tertanam berubah karena variasi kelembaban. Anda kemudian dapat menentukan kelembaban dengan memantau warna gel komposit. Teknik yang kami gunakan disebut eksitasi plasmonik. Anda dapat melihat spektrum optik material dan menentukan jarak antar partikel. Jadi, ini adalah cara sederhana untuk memantau kelembaban. Tetapi ada banyak hal lain yang dapat Anda lakukan. Misalnya, Anda dapat mengubah molekul gel itu sendiri sehingga akan responsif terhadap pH. Anda kemudian dapat membuat sesuatu seperti robot yang bergerak ketika keasaman berubah. Robot perenang nano yang dimasukkan ke area tubuh tertentu bisa bergerak saat pH larutan berubah. Keuntungannya adalah, berbeda dari teknologi lain yang saat ini digunakan untuk tujuan ini, kami dapat membuat strukturnya menjadi sangat kecil — kami sebenarnya dapat membuatnya lebih kecil dari sel itu sendiri.

Ringkasan Teknologi: Bisakah Anda menggunakan sinar-x sebagai pengganti berkas elektron?

Dr. Kolmakov: Untuk sebagian besar, tidak masalah jenis radiasi pengion yang kita gunakan. Manfaat berkas elektron dan sinar-x adalah Anda dapat memfokuskannya ke titik yang sangat, sangat kecil — Anda dapat menggunakan salah satu dari keduanya untuk menulis struktur yang sangat kecil. Namun, sinar-x memiliki kelebihannya sendiri. Anda dapat mengubah energi sinar dengan mengubah panjang gelombangnya. Karena setiap unsur kimia menyerap sinar-X pada panjang gelombang yang sangat spesifik, Anda dapat menambahkan kekhususan kimia ke dalam proses penulisan. Misalnya, Anda dapat menulis gel yang mengandung oksigen lebih dangkal atau lebih dalam jika Anda menyetel panjang gelombang sinar-x lebih dekat ke, atau menjauh dari, titik penyerapan oksigen maksimum.

Ringkasan Teknologi: Tapi bukankah mereka lebih berbahaya?

Dr. Kolmakov: Nah, ini adalah radiasi pengion, jadi langkah-langkah keamanan yang tepat harus diambil, seperti cukup melindungi sinar dari pengguna. Tapi ini adalah pertanyaan tentang dosis yang dibutuhkan untuk memodifikasi media. Kemampuan berkas elektron untuk mengionisasi air dalam larutan sangat efektif dan tidak memerlukan dosis besar — ​​inilah yang kami gunakan sebagai zat pengikat silang.

Ringkasan Teknologi: Apakah Anda melihat ini digunakan secara komersial dalam waktu dekat?

Dr. Kolmakov: Minat industri dalam teknologi ini akan tergantung pada kemampuan yang dapat kami tunjukkan. Saya pikir tantangan utama sekarang, misalnya dalam pencetakan 3D, adalah bahwa kita masih perlu meningkatkan keandalan delaminasi lapis demi lapis dari substrat. Jadi, segera setelah kami menunjukkan struktur submikron kompleks 3D, industri harus tertarik dengan teknologi ini untuk mencetak barang yang sangat kecil. Kami terus mengerjakan ini.

Ringkasan Teknologi: Dapatkah ini dilakukan dengan sumber energi yang tersedia secara komersial?

Dr. Kolmakov: Tepat! Itulah tujuan kami, kami ingin menunjukkan ini kepada komunitas orang-orang yang bekerja dengan pemindaian standar atau mikroskop elektron transmisi, dan ada ribuan di seluruh dunia. Juga, ada orang yang memiliki mikroskop x-ray (yang merupakan industri baru) — mereka telah tersedia untuk laboratorium baru-baru ini. Semua mesin yang kami gunakan di lab kami adalah komersial. Kami baru saja menambahkan pengaturan custom-made yang sangat sederhana. Jadi, sangat mungkin untuk melakukan ini dalam skala besar. Terlebih lagi, ada perkembangan baru dalam mikroskop itu sendiri. Beberapa perusahaan tertarik untuk memproduksi mikroskop elektron yang mampu beroperasi di lingkungan sekitar, seperti di udara. Itu akan lebih mudah lagi, karena Anda cukup meletakkan sampel Anda di udara di bawah mikroskop.

Ringkasan Teknologi: Apa yang paling menggairahkan Anda tentang proyek ini?

Dr. Kolmakov: Yang paling menggairahkan saya adalah bahwa ini adalah teknologi baru dan kami berada di awal. Harapan saya adalah menemukan mitra yang antusias dan sumber daya serta tenaga yang cukup untuk memajukannya.

Ringkasan Teknologi: Abisakah Anda bekerja dengan perusahaan komersial untuk menerapkan teknik Anda?

Dr. Kolmakov: Pasti, saya akan senang untuk. Misi kami di NIST adalah membantu industri mengembangkan teknologi atau metrologi baru.

Ringkasan Teknologi: Bagi saya tampaknya banyak orang yang tertarik dengan hal ini.

Dr. Kolmakov: Benar, ahli biologi yang bekerja dengan komunitas percetakan akan tertarik. Misalnya, menggunakan teknologi bioprinting 3D saat ini, orang sedang membangun struktur gel berukuran sentimeter untuk rekayasa jaringan. Namun, ada juga kebutuhan untuk mencetak struktur yang sangat kecil, katakanlah pada tingkat sel, atau di dalam sel, tapi itu masih fiksi ilmiah. Belum ada pasar — ​​cukup banyak ruang terbuka. Jika seseorang datang dengan ide yang dapat dipasarkan untuk struktur gel subseluler buatan, industri akan menjadi lebih tertarik. Mungkin kita terlalu dini.

Ringkasan Teknologi: Dapatkah Anda memprediksi pasar mana saja?

Dr. Kolmakov: Nah, salah satu hal yang menurut saya akan menarik, adalah menghubungkan teknologi kita dengan antarmuka komputer-otak. Ada dua tantangan besar di sana. Salah satunya adalah mengembangkan elektroda lunak yang tidak akan merusak jaringan otak dan yang lainnya adalah untuk mengirimkan elektroda ini ke otak.

Ringkasan Teknologi: Saya mendengar Elon Musk membicarakan hal itu.

Dr. Kolmakov: Ya. Masalahnya adalah dia menggunakan teknologi yang lebih tua. Elektrodanya padat — tidak terlalu fleksibel — dan tidak terlalu ramah terhadap jaringan. Hal kedua adalah mereka harus melakukan operasi pada tengkorak untuk menanamkan elektroda. Apa yang saya lihat dengan metode kami, adalah bahwa kami dapat membuat elektroda lebih tipis, lebih fleksibel, dan lebih ramah lingkungan. Selain itu, elektroda kami dapat mengirimkan sinyal elektronik dan ionik, dan transparan secara optik, sehingga dapat mengirimkan sinyal optik bolak-balik. Jadi, menurut pendapat saya, ini adalah prospek yang jauh lebih baik untuk pencitraan aktivitas otak daripada yang lainnya. Itu mungkin aplikasi terpanas yang bisa saya bayangkan. Hampir semua orang yang bekerja di bidang elektronik lunak sekarang mengingat antarmuka otak-komputer. Awalnya, itu untuk orang-orang yang kehilangan beberapa fungsi, misalnya mobilitas, karena mereka putus asa. Tapi akhirnya — bayangkan Anda memiliki otak kedua.

Ada kesenjangan yang sangat kecil, saya pikir, antara fiksi ilmiah dan kenyataan sekarang… Ini adalah bidang yang sangat besar dan apa yang kami lakukan hanyalah kontribusi yang sangat kecil. Orang telah belajar banyak dengan mulai membaca sinyal yang dihasilkan otak. Memahami otak telah mengubah cara kita melakukan komputasi dan mengarah pada awal dari teknologi baru:komputasi neuromorfik. Orang-orang mencoba membuat komputer dengan arsitektur dan bahasa yang sama sekali berbeda, dan bahkan logika, untuk bekerja dengan semikonduktor biasa, sambil tetap menggunakan elemen normal. Ini akan menjadi kurang digital dan lebih menjadi analog dan pengenalan pola dan mungkin menggunakan yang berbeda, misalnya, bahan lunak, bukan transistor anorganik atau perangkat lain seperti memristor.

Versi yang diedit dari wawancara ini muncul di Tech Briefs edisi Desember 2020.