Pionir Cetak 3D Sinar Elektron untuk Struktur Mikrogel dalam Lingkungan Cair

Dr. Andrei Kolmakov dan tim peneliti di National Institute of Standards and Technology (NIST) telah mengembangkan metode untuk cetak 3D struktur gel kecil dalam cairan dengan sinar elektron — metode yang sebelumnya terbatas pada padat.

Dr. Andrei Kolmakov: Salah satu proyek yang kami jalankan, adalah menggunakan mikroskop elektron di lingkungan yang tidak biasa. Mikroskop elektron biasanya bekerja dalam vakum. Ada banyak proses, misalnya, dalam baterai, katalisis, dan dalam industri semi konduktor, di mana Anda ingin melihat objek yang berada di lingkungan gas atau cairan tekanan tinggi. Sulit dilakukan dengan mikroskop elektron karena ia tidak menembus terlalu dalam ke dalam material padat.

Tech Briefs: Apa yang membuat Anda tertarik pada proyek ini?

Sebagai bagian dari penelitian kami, kami bekerja pada teknik untuk mengembangkan kemampuan citra elektron untuk aplikasi berbeda. Sekali, pada pertemuan Masyarakat Penelitian Bahan (MRS) saya melihat pameran terkait biologi, di mana printer ekstrusi mencetak hidrogel dengan mengekstrus sejumlah kecil cairan gel, yang kemudian menjadi gel — padat — oleh cahaya UV. Saya segera merasa bahwa pekerjaan kami pada mikroskop elektron dalam cairan dapat berkontribusi pada pencetakan gel. Bagi kami tidak masalah apakah kita melakukan citra atau melakukan sesuatu dalam cairan atau dalam prekursor gel cair.

Minggu berikutnya, pasca-doktor saya dan saya melakukan tes untuk melihat apakah mungkin, dan kami terkejut, mudah. Jadi, kami memutuskan kami berada pada sesuatu yang besar. Kami menghabiskan setahun atau lebih pada berbagai tes, mengembangkan teknik ini dan itulah bagaimana itu terjadi.

Ini sulit karena tidak banyak yang diketahui tentang proses kami. Studi pengaitan, pembentukan molekul yang lebih besar dari cairan, dari prekursor yang lebih kecil, menggunakan elektron atau sinar gamma atau sinar x dasar berasal dari fisika radiasi tahun 1960-an. Namun sebelum kami, tidak ada yang menggunakan sinar elektron rendah energi yang sangat terfokus untuk proses semacam ini. Kami memutuskan ini dapat membuka pintu baru dalam sintesis, litografi, atau bahkan pencetakan 3D.

Tech Briefs: Bagaimana gel biasanya dibuat?

Dr. Kolmakov: Untuk printer gel komersial, biasanya dilakukan dengan cahaya UV. Namun, printer ini memiliki resolusi yang sangat rendah dibandingkan kami. Biasanya mereka memiliki ukuran fitur milimeter, sedangkan kami dapat sampai ke level nanometer — satu juta kali lebih kecil.

Cara kerja printer 3D standar, adalah Anda memiliki cairan: plastik leleh, atau larutan prekursor gel cair dalam kasus printer bio, dan karena viskus, cairan dapat diekstrus perlahan melalui nozel. Anda dapat menempelkan cairan yang diekstrus dengan cara yang dapat dikontrol dengan memindahkan nozel di atas permukaan. Kemudian, Anda dapat menggunakan cahaya UV untuk mengkuring — mengental — lapisan yang Anda buat. Kimia khusus, yang disebut inisiator, harus ditanamkan dalam larutan untuk memungkinkan pengentalan ini saat terpapar cahaya UV. Anda harus menggunakan kimia ini karena gel biasanya tidak melakukan apa pun dengan cahaya, ia transparan.

Dalam kasus kami kami tidak menggunakan nozel atau inisiator. Kami dapat bekerja hanya dengan prekursor cair seperti aslinya, karena sinar elektron sendiri melakukan inisiasi dalam air.

Larutan prekursor gel adalah larutan air dari sekumpulan molekul yang diikat — molekul yang sangat panjang yang terhubung secara kimia. Anda dapat mengisinya dengan air, dan ia membengkak karena air mengisi ruang di antara molekul, atau Anda dapat mengeringkannya dan ia menyusut.

Satu contoh aplikasi gel yang umum adalah kontak lensa. Namun, kebutuhan ada, terutama dalam biologi, untuk membuat struktur yang lebih kompleks. Misalnya, jika Anda ingin membuat organ buatan, katakanlah telinga, Anda dapat membuat rangka dari gel dan mempopulasi dengan sel biologis yang akan menempel pada gel dan tumbuh di sana. Itulah mengapa industri biologi tertarik dengan teknik semacam ini.

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

Dan, hal lain, kimia inisiator yang saya sebutkan sebelumnya sering beracun. Jika Anda ingin mencetak sesuatu yang sangat kecil menggunakan teknik pencetakan 3D dua foton terbaru, Anda harus meningkatkan konsentrasi inisiator, sehingga gel menjadi bahkan lebih beracun untuk materi seluler. Dalam kasus kami, kami dapat membuat fitur yang sangat kecil tanpa menggunakan inisiator beracun apa pun.

Tech Briefs: Biarkan saya memastikan saya mengikuti proses dasar. Cara saya melihatnya, Anda mencetak 3D dengan gel — Anda menempatkan gel pada substrat. Adakah itu benar?

Dr. Kolmakov: Biarkan saya menjelaskan prosesnya dengan lebih detail. Bayangkan Anda memiliki mikroskop elektron skaning standar. Ini adalah ruang vakum dengan sinar elektron yang sangat, sangat halus di dalamnya. Sinar dapat kecil hingga tiga nanometer. Jika sampel Anda berada di dalam ruang vakum, Anda dapat memindai sinar di atas permukaan dan mendapatkan sinyal darinya, dan dari itu, Anda mendapatkan citra. Atau, jika Anda ingin memproduksi sesuatu, Anda dapat menempatkan, katakanlah, lapisan material — orang-orang menggunakan ini untuk industri semi konduktor — Anda menaruh film fotoresist. Anda kemudian dapat menggambar sesuatu pada resist ini, memodifikasinya secara kimia dengan sinar elektron pada film padat dan mengolahnya nanti dengan kimia khusus untuk penghapusan. Kemudian Anda akan mendapatkan pola di permukaan sampel. Itu adalah prosedur mikroskop elektron dan litografi elektron standar.

Itu baik untuk film padat atau objek, tetapi kami ingin melakukan sesuatu seperti itu dalam cairan. Masalahnya adalah cairan tidak bertahan dalam vakum, mereka menguap. Mikroskop akan terkontaminasi — dan itu sangat mahal.

Untuk menangani tantangan ini, kami menggunakan membran yang sangat tipis, dalam kisaran 10 nanometer. Ia terbuat dari silikon nitrida, yang merupakan bahan semi konduktor standar. Membran ini sangat tipis sehingga elektron dapat menembusnya dengan hanya sedikit penyebaran atau penurunan, tetapi gas dan cairan tidak dapat. Kami menggunakan trik ini untuk mengirim sinar ke dalam cairan. Kami melakukannya dengan menciptakan ruang sekunder kecil dengan jendela silikon nitrida dan mengisinya dengan larutan prekursor untuk pembentukan gel. Kami kemudian memaparkan cairan sangat tepat dengan elektron, menciptakan pola tertentu. Di area di mana sinar elektron memantul, cairan dimodifikasi secara kimia, dan gel terbentuk.

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

Tech Briefs: Jadi, gel ditempelkan dalam pola tertentu?

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

Tech Briefs: Apakah gel adalah struktur dasar di mana Anda dapat menempatkan sel biologis atau beberapa jenis sensor?

Dr. Kolmakov: Ya, dengan gel Anda dapat melakukan banyak hal. Misalnya, gel konduktif dapat digunakan sebagai kontak listrik. Atau karena transparan, mereka dapat digunakan untuk membuat serat optik. Selain itu, beberapa gel dapat dibuat bereaksi terhadap stimulus tertentu. Misalnya, mereka dapat dibuat sensitif terhadap suhu atau pH. Anda dapat membuat banyak fungsionalitas dengan memodifikasi molekul gel. Dengan cara ini, Anda dapat membangun objek fungsional seperti nanoswimmer atau mikro-robot lunak.

Tech Briefs: Apakah sinar elektron melakukan semua modifikasi ini?

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

Tech Briefs: Jadi, bagaimana Anda melakukan semua hal lainnya?

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

Tech Briefs: Jadi, Anda mengatakan Anda meletakkan partikel ke dalam campuran dan kemudian Anda menggunakan sinar elektron untuk membuat struktur.

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

Tech Briefs: Apakah Anda dapat menggunakan sinar x alih-alih sinar elektron?

Dr. Kolmakov: Sekitar besarnya, tidak masalah jenis radiasi ionisasi yang kita gunakan. Manfaat baik sinar elektron maupun sinar x adalah Anda dapat memfokuskannya ke dalam titik yang sangat, sangat kecil — Anda dapat menggunakan salah satunya untuk menulis struktur yang sangat kecil. Namun, sinar x memiliki keuntungan sendiri. Anda dapat mengubah energi sinar dengan mengubah panjang gelombangnya. Karena setiap elemen kimia menyerap sinar x pada panjang gelombang yang sangat spesifik, Anda dapat menambahkan spesifikitas kimia ke dalam proses penulisan. Misalnya, Anda dapat menulis gel yang mengandung oksigen lebih dangkal atau lebih dalam jika Anda menyesuaikan panjang gelombang sinar x lebih dekat dengan, atau jauh dari, titik penyerapan oksigen maksimum.

Tech Briefs: Tetapi bukankah mereka lebih berbahaya?

Dr. Kolmakov: Nah, ini adalah radiasi ionisasi, jadi langkah keselamatan yang sesuai harus diambil, seperti melindungi sinar dari pengguna dengan cukup. Namun ini adalah masalah dosis yang diperlukan untuk memodifikasi media. Kemampuan sinar elektron untuk mengionkan air dalam larutan sangat efektif dan tidak membutuhkan dosis besar — ini tepat apa yang kami gunakan sebagai agen pengait.

Tech Briefs: Apakah Anda melihat ini akan digunakan komersial segera?

Dr. Kolmakov: Minat industri terhadap teknologi ini akan tergantung pada kemampuan yang dapat kami demonstrasikan. Saya pikir tantangan utama sekarang, misalnya dalam pencetakan 3D, adalah kami masih perlu meningkatkan keandalan pelapisan lapis demi lapis dari substrat. Jadi, begitu kami menunjukkan struktur 3D kompleks submikron, industri harus tertarik dengan teknologi ini untuk mencetak hal-hal yang sangat kecil. Kami terus bekerja pada ini.

Tech Briefs: Bisakah ini dilakukan dengan sumber energi yang tersedia secara komersial?

Dr. Kolmakov: Tepat! Itu adalah tujuan kami, kami ingin mendemonstrasikan ini kepada komunitas orang yang bekerja dengan mikroskop skaning atau transmisi standar, dan ada ribuan di seluruh dunia. Juga, ada orang yang memiliki mikroskop sinar x (yang merupakan industri baru) — mereka baru-baru ini tersedia untuk laboratorium. Semua mesin yang kami gunakan di laboratorium kami adalah komersial. Kami hanya menambahkan pengaturan kustom yang sangat sederhana. Jadi, pasti mungkin untuk melakukan ini pada skala besar. Lebih lagi, ada perkembangan baru dalam mikroskop itu sendiri. Beberapa perusahaan telah tertarik untuk memproduksi mikroskop elektron yang mampu beroperasi di lingkungan ambient, seperti di udara. Itu akan lebih mudah, karena Anda hanya menempatkan sampel Anda di udara di bawah mikroskop.

Tech Briefs: Apa yang paling membuat Anda bersemangat tentang proyek ini?

Dr. Kolmakov: Apa yang paling membuat saya bersemangat adalah ini adalah teknologi baru dan kami ada di awalnya. Keinginan saya adalah menemukan mitra yang antusias dan cukup sumber daya dan tenaga untuk melangkah maju.

Tech Briefs: Apakah Anda akan dapat bekerja dengan perusahaan komersial untuk menerapkan teknik Anda?

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

Tech Briefs: Sepertinya banyak orang harus tertarik dengan ini.

Dr. Kolmakov: Benar, biologi yang bekerja dengan komunitas pencetakan akan tertarik. Misalnya, menggunakan teknologi pencetakan bio 3D saat ini, orang sedang membangun struktur gel berukuran sentimeter untuk teknik jaringan. Namun, ada juga kebutuhan untuk mencetak struktur yang sangat kecil, katakanlah pada tingkat sel, atau di dalam sel, tetapi itu masih ficta ilmiah. Belum ada pasar — itu cukup ruang terbuka. Jika seseorang datang dengan ide yang dapat dipasarkan untuk struktur gel buatan subseluler, industri akan lebih tertarik. Mungkin kami terlalu awal.

Tech Briefs: Bisakah Anda memprediksi pasar apa pun?

Dr. Kolmakov: Nah, salah satu hal yang menurut saya akan menarik, adalah menghubungkan teknologi kami dengan interfacing otak-komputer. Ada dua tantangan utama di sana. Satu adalah mengembangkan elektroda lunak yang tidak akan merusak jaringan otak dan yang lain adalah untuk menyampaikan elektroda ini ke dalam otak.

Tech Briefs: Saya mendengar Elon Musk berbicara tentang itu.

Dr. Kolmakov: Ya. Masalahnya adalah dia menggunakan teknologi yang lebih lama. Elektrodanya padat — tidak sangat fleksibel — dan tidak sangat ramah terhadap jaringan. Hal kedua adalah mereka harus melakukan operasi pada tengkorak untuk menyisipkan elektroda. Apa yang saya lihat dengan metode kami, adalah kami dapat membuat elektroda yang jauh lebih tipis, jauh lebih fleksibel, dan jauh lebih ramah biologi. Juga, elektroda kami dapat mentransmisikan sinyal elektronik dan ionik, dan transparan optik, sehingga dapat mentransmisikan sinyal optik bolak-balik. Jadi, menurut saya, ini adalah prospek yang jauh lebih baik untuk citra aktivitas otak daripada apa pun lainnya. Itu mungkin aplikasi paling panas yang dapat saya bayangkan. Praktis semua orang yang bekerja dalam elektronik lunak sekarang sambil mengingat interfacing otak-komputer. Awalnya, itu akan untuk orang yang telah kehilangan beberapa fungsi, misalnya mobilitas, karena mereka putus asa. Namun akhirnya — bayangkan Anda memiliki otak kedua dalam milik Anda.

Ada celah yang sangat kecil, menurut saya, antara ficta ilmiah dan kenyataan sekarang… Ini adalah bidang yang besar dan apa yang kami lakukan hanyalah kontribusi yang sangat kecil. Orang telah banyak belajar dengan mulai membaca sinyal yang dihasilkan otak. Memahami otak telah mengubah cara kita melakukan komputasi dan mengarah pada awal teknologi baru: komputasi neuromorf. Orang mencoba menciptakan komputer dengan arsitektur dan bahasa yang sepenuhnya berbeda, dan bahkan logika, untuk bekerja dengan, sementara masih menggunakan elemen normal, semi konduktor biasa. Itu akan kurang digital dan lebih menuju analog dan pola pengenalan dan mungkin menggunakan bahan yang berbeda, misalnya, bahan lunak, alih-alih transistor anorganik atau perangkat lain seperti memristor.

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