Impressão 3D por Feixe de Elétrons de Microgel em Ambientes Líquidos: Inovação Pioneira

Dr. Andrei Kolmakov e uma equipe de pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) desenvolveram um método para impressão 3D de minúsculas estruturas de gel em líquidos com feixes de elétrons — um método que anteriormente era limitado a sólidos.

Dr. Andrei Kolmakov: Um dos projetos que estamos executando é usar microscopia eletrônica em ambientes incomuns. Microscópios eletrônicos geralmente funcionam em vácuo. Existem muitos processos, por exemplo, em baterias, catálise e na indústria de semicondutores, onde você quer olhar para objetos que estão em ambientes de gás de alta pressão ou líquidos. Isso é difícil de fazer com um microscópio eletrônico porque ele não penetra profundamente em materiais densos.

Tech Briefs: O que o interessou neste projeto?

Como parte de nossa pesquisa, estávamos trabalhando em técnicas para desenvolver capacidades de imagem eletrônica para diferentes aplicações. Uma vez, em uma reunião da Sociedade de Pesquisa de Materiais (MRS), notei um expositor bio-relacionado, onde uma impressora de extrusão estava imprimindo hidrogéis extrudando uma pequena quantidade de gel líquido, que é gelificado — solidificado — por luz UV. Senti imediatamente que nosso trabalho em microscopia eletrônica em líquidos poderia contribuir para impressão de géis. Para nós, não importa se estamos imageando ou fazendo algo em um líquido ou em um precursor de gel líquido.

Na semana seguinte, meu pós-doutorado e eu fizemos um teste para ver se era viável, e para nossa surpresa, foi fácil. Então, decidimos que estávamos diante de algo grande. Gastamos um ano ou mais em diferentes tipos de testes, desenvolvendo essas técnicas e foi assim que aconteceu.

Foi desafiador porque não se sabe muito sobre nosso processo. O estudo de reticulação, a formação de moléculas maiores a partir de líquidos, de precursores menores, usando elétrons ou raios gama ou raios-X basicamente vem da física de radiação dos anos 1960. Mas antes de nós, ninguém estava usando feixes de elétrons de baixa energia altamente focalizados para esses tipos de processos. Decidimos que isso poderia abrir uma nova porta em síntese, litografia ou até impressão 3D.

Tech Briefs: Como géis são geralmente criados?

Dr. Kolmakov: Para impressoras de gel comerciais, geralmente é feito com luz UV. No entanto, essas impressoras têm resolução muito baixa comparada a nós. Elas tipicamente têm tamanho de característica de milímetro, enquanto nós podemos ir ao nível de nanômetro — um milhão de vezes menor.

O funcionamento de uma impressora 3D padrão é: você tem um líquido: plástico derretido, ou solução precursora de gel líquido no caso de bioimpressoras, e como é viscoso, o líquido pode ser lentamente extrudado através de um bico. Você pode depositar o líquido extrudado de forma controlada movendo o bico sobre uma superfície. Então, você pode usar luz UV para curar — solidificar — a camada que fez. Químicos especiais, chamados iniciadores, têm que ser incorporados na solução para permitir esse tipo de solidificação ao serem irradiados com luz UV. Você tem que usar esses químicos porque o gel usual não faz nada com luz, é transparente.

No nosso caso, não usamos nem bico nem iniciadores. Podemos trabalhar apenas com o precursor líquido como ele é, porque o feixe de elétrons em si faz a iniciação na água.

A solução precursora de gel é uma solução aquosa de um conjunto de moléculas que são reticuladas — moléculas muito longas conectadas quimicamente. Você pode enchê-la com água, e ela incha porque a água preenche os espaços entre as moléculas, ou você pode secá-la e ela encolhe.

Um exemplo de aplicação típica de gel são lentes de contato. No entanto, existe a necessidade, especialmente na biologia, de criar estruturas mais complexas. Por exemplo, se você quisesse criar órgãos artificiais, digamos uma orelha, você poderia fazer um andaime do gel e povoá-lo com células biológicas que grudarão no gel e crescerão lá. É por isso que a indústria bio está interessada nessas técnicas.

Imagine agora que você queira fazer algo realmente pequeno, basicamente no nível da própria célula biológica individual. Ou digamos que você queira fazer um contato elétrico com a célula, para enviar um sinal de ida e volta. Você tem que fazer isso suavemente, sem perturbar muito a célula porque uma célula biológica é um organismo muito frágil. Você poderia tentar conectar a ela com um fio, mas isso poderia ser destrutivo mesmo se você o fizesse suavemente. No nosso caso, somos capazes de produzir géis tão pequenos que podemos fazer um contato muito pequeno com precisão extremamente alta. Podemos fazer isso por causa da capacidade dos feixes de elétrons de serem focalizados em áreas muito, muito pequenas.

E, outra coisa, os químicos iniciadores que falei antes são frequentemente tóxicos. Se você quiser imprimir algo realmente pequeno usando técnicas de impressão 3D de dois fótons de ponta, você tem que aumentar a concentração dos iniciadores, então o gel se torna ainda mais tóxico para material celular. No nosso caso, podemos fazer características extremamente pequenas sem usar nenhum iniciador tóxico.

Tech Briefs: Deixe-me ter certeza de que entendo o processo básico. Da forma como vejo, você imprime 3D com o gel — deposita o gel em um substrato. Isso está certo?

Dr. Kolmakov: Deixe-me descrever o processo em maior detalhe. Imagine que você tem um microscópio eletrônico de varredura padrão. É uma câmara de vácuo com um feixe de elétrons muito, muito fino dentro. O feixe pode ser tão pequeno quanto três nanômetros. Se sua amostra está dentro da câmara de vácuo, você pode varrer o feixe sobre a superfície e obter um sinal dela, e a partir disso, você obtém uma imagem. Ou, se você quiser fabricar algo, você poderia colocar, digamos, uma camada de material — pessoas usam isso para a indústria de semicondutores — você deposita um filme de fotorresistência. Você pode então desenhar algo neste resist, modificá-lo quimicamente com um feixe de elétrons no filme sólido e tratá-lo depois com produtos químicos especiais para remoção. Então você obterá um padrão na superfície da amostra. Esses são procedimentos padrão de microscopia eletrônica e litografia eletrônica.

Isso funciona bem com filmes sólidos ou objetos, mas queremos fazer algo assim em líquidos. O problema é que líquidos não duram no vácuo, eles evaporam. O microscópio ficaria contaminado — e isso é muito caro.

Para lidar com este desafio, usamos uma membrana muito fina, na faixa de 10 nanômetros. É feita de nitreto de silício, que é um material semicondutor padrão. A membrana é tão fina que elétrons podem penetrá-la com apenas uma pequena quantidade de dispersão ou atenuação, mas gases e líquidos não podem. Usamos esse truque para entregar o feixe no líquido. Fizemos isso criando uma pequena câmara secundária com uma janela de nitreto de silício e enchendo-a com um precursor líquido para formação de gel. Então irradiamos o líquido muito precisamente com elétrons, criando certos padrões. Nas áreas onde o feixe de elétrons atinge, o líquido é quimicamente modificado, e um gel é formado.

Essa foi nossa ideia principal: criar a camada suave desta maneira. Então você pode delaminá-la porque ela é formada muito, muito perto da membrana. Seguindo isso, você começa a crescer a segunda camada, delamina aquela, começa a crescer a terceira camada, e assim por diante. Esse era nosso objetivo — usar um feixe de elétrons para criar uma estrutura de gel camada por camada dentro do líquido.

Tech Briefs: Então, os géis são depositados em certos padrões?

Dr. Kolmakov: Sim, não criamos estruturas extremamente complexas até agora. Mas demonstramos os tipos de estruturas simples que são possíveis. Importantemente, também demonstramos como a delaminação poderia ser feita. Quando você faz impressão 3D, a delaminação da primeira camada da membrana se torna um problema porque ela gruda. Então, você tem que criar um procedimento para delaminá-la, para poder escrever uma segunda camada em cima da primeira.

Tech Briefs: O gel é uma estrutura básica na qual você poderia colocar uma célula biológica ou alguns tipos de sensores?

Dr. Kolmakov: Sim, com os géis você pode fazer muitas coisas. Por exemplo, géis condutivos podem ser usados como contatos elétricos. Ou, como são transparentes, podem ser usados para fazer fibras ópticas. Além disso, alguns géis poderiam ser feitos para serem reativos a certos estímulos. Por exemplo, podem ser feitos sensíveis a temperatura ou pH. Você pode criar muitas funcionalidades modificando as moléculas dos géis. Dessa forma, você pode construir objetos funcionais como nanonadadores ou micro-robôs suaves.

Tech Briefs: O feixe de elétrons faz todas essas modificações?

Dr. Kolmakov: Não, até agora, o feixe de elétrons em si apenas faz uma forma.

Tech Briefs: Então, como você faz todas as outras coisas?

Dr. Kolmakov: Você introduz as funcionalidades no próprio gel. Por exemplo, queríamos detectar umidade e queríamos fazer o sensor muito, muito pequeno. Adicionamos nanopartículas de ouro na solução e durante o processo de escrita, encapsulamos as partículas dentro da estrutura do gel.

Tech Briefs: Então, você está dizendo que coloca as partículas na mistura e depois usa o feixe de elétrons para fazer a estrutura.

Dr. Kolmakov: Sim, as partículas agora ficam encapsuladas dentro do gel. O tamanho do material do gel é muito sensível à umidade. Digamos que ele encolhe se estiver seco fora e incha quando está úmido ou molhado. Então, a distância entre as partículas incorporadas muda por causa das variações de umidade. Você pode então determinar a umidade monitorando a cor do gel composto. A técnica que usamos é chamada excitação plasmônica. Você pode olhar para o espectro óptico do material e determinar a distância entre as partículas. Então, esta é uma maneira simples de monitorar umidade. Mas há muitas outras coisas que você pode fazer. Por exemplo, você pode mudar a molécula do gel em si para que ela seja responsiva a pH. Você pode então fazer algo como um robô que se move quando a acidez muda. Um robô nanonadador inserido em certas áreas do corpo poderia se mover quando o pH da solução muda. A vantagem é que, diferente de outras tecnologias atualmente usadas para esses propósitos, podemos fazer a estrutura extremamente pequena — podemos realmente fazê-la menor que a própria célula.

Tech Briefs: Você pode usar raios-X em vez de feixes de elétrons?

Dr. Kolmakov: Em grande medida, não importa que tipo de radiação ionizante estamos usando. O benefício de ambos feixes de elétrons e raios-X é que você pode focalizá-los em um ponto muito, muito pequeno — você pode usar qualquer um deles para escrever estruturas muito pequenas. No entanto, raios-X têm suas próprias vantagens. Você pode mudar a energia do feixe mudando seu comprimento de onda. Como cada elemento químico absorve raios-X em comprimentos de onda muito específicos, você pode adicionar especificidade química no processo de escrita. Por exemplo, você pode escrever géis contendo oxigênio mais rasos ou mais profundos se sintonizar o comprimento de onda dos raios-X mais próximo ou mais longe do ponto de máxima absorção de oxigênio.

Tech Briefs: Mas não são mais perigosos?

Dr. Kolmakov: Bem, esta é radiação ionizante, então medidas de segurança apropriadas devem ser tomadas, como blindar suficientemente o feixe do usuário. Mas é uma questão da dose necessária para modificar a mídia. A capacidade do feixe de elétrons de ionizar água em solução é muito eficaz e não requer grandes doses — isso é exatamente o que estamos usando como agente de reticulação.

Tech Briefs: Você vê isso sendo usado comercialmente em breve?

Dr. Kolmakov: O interesse da indústria nesta tecnologia dependerá das capacidades que podemos demonstrar. Acho que o maior desafio agora, por exemplo em impressão 3D, é que ainda precisamos melhorar a confiabilidade da delaminação camada por camada do substrato. Então, assim que mostrarmos estruturas submicrônicas complexas em 3D, a indústria deve se interessar por esta tecnologia para imprimir coisas muito pequenas. Estamos continuando a trabalhar nisso.

Tech Briefs: Isso poderia ser feito com fontes de energia comercialmente disponíveis?

Dr. Kolmakov: Exatamente! Esse era nosso objetivo, queríamos demonstrar isso para a comunidade de pessoas que trabalham com microscópios eletrônicos de varredura ou transmissão padrão, e há milhares deles em todo o mundo. Também há pessoas que possuem microscópios de raios-X (que é uma nova indústria) — eles se tornaram disponíveis para laboratórios recentemente. Todas as máquinas que usamos em nosso laboratório são comerciais. Apenas adicionamos configurações personalizadas muito simples. Então, definitivamente é possível fazer isso em larga escala. Ainda mais, há novos desenvolvimentos na própria microscopia. Algumas empresas se interessaram em produzir microscópios eletrônicos capazes de operar em ambiente ambiente, como no ar. Isso seria ainda mais fácil, porque você apenas colocaria sua amostra no ar sob o microscópio.

Tech Briefs: O que mais o entusiasma neste projeto?

Dr. Kolmakov: O que mais me entusiasma é que esta é uma tecnologia totalmente nova e estamos no começo dela. Meu desejo é encontrar parceiros entusiasmados e recursos e mão de obra suficientes para movê-la adiante.

Tech Briefs: Você seria capaz de trabalhar com uma empresa comercial para implementar suas técnicas?

Dr. Kolmakov: Definitivamente, eu ficaria encantado. Nossa missão no NIST é ajudar a indústria a desenvolver nova tecnologia ou metrologia.

Tech Briefs: Parece-me que muitas pessoas deveriam se interessar por isso.

Dr. Kolmakov: Certo, biólogos trabalhando com a comunidade de impressão se interessariam. Por exemplo, usando tecnologia atual de bioimpressão 3D, pessoas estão construindo estruturas de gel de tamanho centimétrico para engenharia de tecidos. No entanto, também existe a necessidade de imprimir estruturas muito pequenas, digamos no nível da célula, ou dentro da célula, mas isso ainda é ficção científica. Não há mercado ainda — é praticamente um espaço aberto. Se alguém tiver uma ideia comercializável para estruturas de gel subcelulares artificiais, a indústria se interessará mais. Pode ser que estejamos adiantados demais.

Tech Briefs: Você pode prever algum mercado?

Dr. Kolmakov: Bem, uma das coisas que acho que será interessante, é vincular nossa tecnologia a interfaces cérebro-computador. Existem dois grandes desafios lá. Um é desenvolver eletrodos suaves que não danifiquem o tecido cerebral e o outro é entregar esses eletrodos no cérebro.

Tech Briefs: Ouvi Elon Musk falando sobre isso.

Dr. Kolmakov: Sim. O problema é que ele está usando uma tecnologia mais antiga. Seus eletrodos são sólidos — não muito flexíveis — e não são extremamente amigáveis ao tecido. A segunda coisa é que eles têm que fazer uma operação no crânio para implantar os eletrodos. O que vejo com nosso tipo de método, é que podemos fazer os eletrodos muito mais finos, muito mais flexíveis e muito mais bio-amigáveis. Além disso, nossos eletrodos podem transmitir sinais eletrônicos e iônicos, e são opticamente transparentes, então podem transmitir sinais ópticos de ida e volta. Então, na minha opinião, esta é uma perspectiva muito melhor para imageamento de atividade cerebral do que qualquer outra coisa. Provavelmente é a aplicação mais quente que posso imaginar. Praticamente todos trabalhando em eletrônica suave agora estão mantendo em mente interface cérebro-computador. Inicialmente, será para pessoas que perderam alguma função, por exemplo mobilidade, porque estão desesperadas. Mas eventualmente — imagine que você tenha um segundo cérebro em sua posse.

Há uma lacuna muito pequena, acho, entre ficção científica e realidade agora… Este é um campo enorme e o que estamos fazendo é apenas uma contribuição muito pequena. Pessoas aprenderam muito ao começar a ler os sinais que cérebros geram. Entender o cérebro já mudou a forma como fazemos computação e levou ao início de uma nova tecnologia: computação neuromórfica. Pessoas estão tentando criar computadores com uma arquitetura e linguagem completamente diferentes, e até lógica, para trabalhar, enquanto ainda usam os elementos normais, os semicondutores usuais. Seria menos digital e mais analógico e reconhecimento de padrões e pode usar materiais diferentes, por exemplo, materiais suaves, em vez de transistores inorgânicos ou outros dispositivos como memristores.

Uma versão editada desta entrevista apareceu na edição de dezembro de 2020 da Tech Briefs.