Perguntas e respostas:um novo método para impressão 3D de pequenas estruturas de gel

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

Dra. Andrei Kolmakov: Um dos projetos que estamos executando é o uso de microscopia eletrônica em ambientes inusitados. Os microscópios eletrônicos geralmente funcionam no vácuo. Existem muitos processos, por exemplo, em baterias, catálise e na indústria de semicondutores, onde você deseja observar objetos que estão em ambientes de gás ou líquido de alta pressão. Isso é difícil de fazer com um microscópio eletrônico porque não penetra muito profundamente em materiais densos.

Resumos técnicos: O que despertou seu interesse neste projeto?

Como parte de nossa pesquisa, estávamos trabalhando em técnicas para desenvolver recursos de geração de imagens eletrônicas para diferentes aplicações. Certa vez, em uma reunião da Materials Research Society (MRS), notei uma exposição bio-relacionada, onde uma impressora de extrusão estava imprimindo hidrogéis extrudando uma pequena quantidade de gel líquido, que fica gelificado – solidificado – pela luz UV. Imediatamente senti que nosso trabalho em microscopia eletrônica em líquidos poderia contribuir para a impressão de géis. Para nós, não importa se estamos imaginando ou fazendo algo em um líquido ou em um precursor de gel líquido.

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

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

Resumos técnicos: Como os géis geralmente são criados?

Dra. Kolmakov: Para impressoras de gel comerciais, geralmente é feito com luz UV. No entanto, essas impressoras têm resolução muito baixa em comparação com a nossa. Eles normalmente têm um tamanho de recurso milimétrico, enquanto podemos ir ao nível do nanômetro – um milhão de vezes menor.

A maneira como uma impressora 3D padrão funciona é que você tem um líquido:plástico derretido ou solução precursora de gel líquido no caso de bioimpressoras e, por ser viscoso, o líquido pode ser extrudado lentamente através de um bico. Você pode colar o líquido extrudado de maneira controlável movendo o bico sobre uma superfície. Então, você pode usar a luz UV para curar – solidificar – a camada que você fez. Produtos químicos especiais, chamados iniciadores, devem ser incorporados na solução para permitir esse tipo de solidificação ao serem irradiados com luz UV. Você tem que usar esses produtos químicos porque o gel usual não faz nada com a luz, é transparente.

No nosso caso não usamos bico nem iniciadores. Podemos trabalhar apenas com o precursor líquido como ele é, porque o próprio feixe de elétrons 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 preenchê-lo com água e ele incha porque a água preenche os espaços entre as moléculas, ou você pode secá-lo e ele encolhe.

Um exemplo de aplicação típica de gel são as lentes de contato. No entanto, existe a necessidade, especialmente em biologia, de fazer estruturas mais complexas. Por exemplo, se você quiser criar órgãos artificiais, digamos, uma orelha, você pode fazer um andaime com o gel e preenchê-lo com células biológicas que vão grudar no gel e crescer lá. É por isso que a bioindústria está interessada nesses tipos de técnicas.

Imagine agora que você quer 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 para frente e para trás. Você tem que fazer isso suavemente, sem perturbar muito a célula, porque uma célula biológica é um organismo muito frágil. Você pode tentar se conectar a ele com um fio, mas isso pode ser destrutivo, mesmo que você tenha feito isso com cuidado. No nosso caso, somos capazes de produzir géis tão pequenos que podemos fazer um contato muito pequeno com altíssima precisão. Podemos fazer isso por causa da capacidade dos feixes de elétrons se concentrarem em áreas muito, muito pequenas.

E, outra coisa, as substâncias químicas iniciadoras de que falei antes são frequentemente tóxicas. Se você deseja imprimir algo realmente pequeno usando técnicas de impressão 3D de dois fótons de última geração, é necessário aumentar a concentração dos iniciadores, para que o gel se torne ainda mais tóxico para o material celular. No nosso caso, podemos criar recursos extremamente pequenos sem usar iniciadores tóxicos.

Resumos técnicos: Deixe-me ter certeza de seguir o processo básico. Do jeito que eu vejo, você imprime em 3D com o gel – você deposita o gel em um substrato. É isso mesmo?

Dra. Kolmakov: Deixe-me descrever o processo com mais detalhes. Imagine que você tenha 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 estiver dentro da câmara de vácuo, você pode escanear o feixe sobre a superfície e obter um sinal dele e, a partir disso, obter uma imagem. Ou, se você quiser fabricar algo, você pode colocar, digamos, uma camada de material – as pessoas usam isso para a indústria de semicondutores – você coloca um filme de fotorresistente. 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.

Tudo bem com filmes ou objetos sólidos, mas queremos fazer algo assim em líquidos. O problema é que os líquidos não duram no vácuo, eles evaporam. O microscópio seria contaminado – e isso é muito caro.

Para lidar com esse desafio, usamos uma membrana muito fina, na faixa de 10 nanômetros. É feito de nitreto de silício, que é um material semicondutor padrão. A membrana é tão fina que os elétrons podem penetrá-la com apenas uma pequena quantidade de espalhamento ou atenuação, mas gases e líquidos não. Usamos este 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 a formação do gel. Em seguida, irradiamos o líquido com muita precisão com elétrons, criando certos padrões. Nas áreas onde o feixe de elétrons o atinge, o líquido é quimicamente modificado e um gel é formado.

Essa foi a nossa ideia principal:criar a camada macia dessa maneira. Então você pode delaminar porque é formado muito, muito perto da membrana. Depois disso, você começa a crescer a segunda camada, delamina-a, começa a crescer a terceira camada e assim por diante. Este era o nosso objetivo – usar um feixe de elétrons para criar uma estrutura de gel camada por camada dentro do líquido.

Resumos técnicos: Então, os géis são dispostos em determinados padrões?

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

Resumos técnicos: O gel é uma estrutura básica na qual você poderia colocar uma célula biológica ou algum tipo de sensor?

Dra. Kolmakov: Sim, com os géis você pode fazer muitas coisas. Por exemplo, géis condutores podem ser usados ​​como contatos elétricos. Ou, por serem transparentes, podem ser usados ​​para fazer fibras ópticas. Além disso, alguns géis podem ser feitos para serem reativos a certos estímulos. Por exemplo, eles podem ser sensíveis à temperatura ou pH. Você pode criar muitas funcionalidades modificando as moléculas dos géis. Dessa forma, você pode construir objetos funcionais como nanosnadadores ou micro-robôs macios.

Resumos técnicos: O feixe de elétrons faz todas essas modificações?

Dra. Kolmakov: Não, até agora, o próprio feixe de elétrons apenas faz uma forma.

Resumos técnicos: Então, como você faz todas as outras coisas?

Dra. Kolmakov: Você introduz as funcionalidades do próprio gel. Por exemplo, queríamos sentir a umidade e queríamos tornar o sensor muito, muito pequeno. Adicionamos nanopartículas de ouro à solução e, durante o processo de escrita, encapsulamos as partículas dentro da estrutura do gel.

Resumos técnicos: Então, você está dizendo que colocou as partículas na mistura e então usou o feixe de elétrons para fazer a estrutura.

Dra. Kolmakov: Sim, as partículas agora ficam encapsuladas dentro do gel. O tamanho do material de gel é muito sensível à umidade. Digamos que encolha se estiver seco lá fora e incha quando estiver molhado ou úmido. 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 de excitação plasmônica. Você pode olhar para o espectro óptico do material e determinar a distância entre as partículas. Portanto, esta é uma maneira simples de monitorar a umidade. Mas há muitas outras coisas que você pode fazer. Por exemplo, você pode alterar a própria molécula do gel para que ela responda ao pH. Você pode então fazer algo como um robô que se move quando a acidez muda. Um robô nano nadador inserido em certas áreas do corpo pode se mover quando o pH da solução muda. A vantagem é que, diferente de outras tecnologias atualmente usadas para esses propósitos, podemos tornar a estrutura extremamente pequena – podemos torná-la menor do que a própria célula.

Resumos técnicos: Você pode usar raios X em vez de feixes de elétrons?

Dra. Kolmakov: Em grande medida, não importa que tipo de radiação ionizante estamos usando. O benefício de ambos os 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, os raios-x têm suas próprias vantagens. Você pode alterar a energia do feixe alterando seu comprimento de onda. Como cada elemento químico absorve raios X em comprimentos de onda muito específicos, você pode adicionar especificidade química ao processo de escrita. Por exemplo, você pode escrever géis contendo oxigênio mais rasos ou mais profundos se ajustar o comprimento de onda dos raios-x mais próximo ou mais distante do ponto de absorção máxima de oxigênio.

Resumos técnicos: Mas eles não são mais perigosos?

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

Resumos técnicos: Você vê isso sendo usado comercialmente em breve?

Dra. Kolmakov: O interesse da indústria nesta tecnologia dependerá das capacidades que pudermos demonstrar. Acho que o maior desafio agora, por exemplo na impressão 3D, é que ainda precisamos melhorar a confiabilidade da delaminação camada por camada do substrato. Assim, assim que mostrarmos estruturas submicrônicas complexas em 3D, a indústria deve se interessar por essa tecnologia para imprimir coisas muito pequenas. Continuamos a trabalhar nestes.

Resumos técnicos: Isso poderia ser feito com fontes de energia disponíveis comercialmente?

Dra. Kolmakov: Exatamente! Esse era o nosso objetivo, queríamos demonstrar isso para a comunidade de pessoas que trabalham com microscópios eletrônicos de varredura ou transmissão padrão, e existem milhares deles em todo o mundo. Além disso, 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. Acabamos de adicionar configurações personalizadas muito simples. Então, é definitivamente possível fazer isso em grande escala. Ainda mais, há novos desenvolvimentos na própria microscopia. Algumas empresas se interessaram em produzir microscópios eletrônicos que sejam capazes de operar em um ambiente ambiente, como no ar. Isso seria ainda mais fácil, porque você simplesmente colocaria sua amostra no ar sob o microscópio.

Resumos técnicos: O que mais te entusiasma neste projeto?

Dra. Kolmakov: O que mais me empolga 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 avançar.

Resumos técnicos: Você poderia trabalhar com uma empresa comercial para implementar suas técnicas?

Dra. Kolmakov: Definitivamente, eu ficaria feliz em. Nossa missão no NIST é ajudar a indústria a desenvolver novas tecnologias ou metrologia.

Resumos técnicos: Parece-me que muitas pessoas deveriam se interessar por isso.

Dra. Kolmakov: Certo, biólogos que trabalham com a comunidade gráfica estariam interessados. Por exemplo, usando a tecnologia atual de bioimpressão 3D, as pessoas estão construindo estruturas de gel do tamanho de um centímetro para engenharia de tecidos. No entanto, também é necessário imprimir estruturas muito pequenas, digamos no nível da célula, ou dentro a célula, mas isso ainda é ficção científica. Ainda não há mercado - é praticamente um espaço aberto. Se alguém tiver uma ideia comercializável para estruturas de gel subcelulares artificiais, a indústria ficará mais interessada. Pode ser que estejamos muito cedo.

Resumos técnicos: Você consegue prever algum mercado?

Dra. Kolmakov: Bem, uma das coisas que eu acho que será interessante, é vincular nossa tecnologia à interface computador-cérebro. Há dois grandes desafios aí. Um está desenvolvendo eletrodos macios que não danificam o tecido cerebral e o outro é entregar esses eletrodos no cérebro.

Resumos técnicos: Ouvi Elon Musk falando sobre isso.

Dra. 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 tornar os eletrodos muito mais finos, muito mais flexíveis e muito mais ecológicos. Além disso, nossos eletrodos podem transmitir sinais eletrônicos e iônicos e são opticamente transparentes, para que possam transmitir sinais ópticos para frente e para trás. Então, na minha opinião, esta é uma perspectiva muito melhor para imagens de atividade cerebral do que qualquer outra coisa. Esse é provavelmente o aplicativo mais quente que posso imaginar. Praticamente todos que trabalham em eletrônica leve agora estão tendo em mente a interface cérebro-computador. Inicialmente, será para pessoas que perderam alguma funcionalidade, por exemplo, mobilidade, porque estão desesperadas. Mas eventualmente – imagine que você tem um segundo cérebro em sua posse.

Há uma lacuna muito pequena, eu acho, entre ficção científica e realidade agora... Este é um campo enorme e o que estamos fazendo é apenas uma contribuição muito pequena. As pessoas aprenderam muito começando a ler os sinais que os cérebros geram. Entender o cérebro já mudou a forma como fazemos computação e levou ao início de uma nova tecnologia:a computação neuromórfica. As 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 de reconhecimento de padrões e pode usar materiais diferentes, por exemplo, macios, em vez de transistores inorgânicos ou outros dispositivos, como memristores.

Uma versão editada desta entrevista foi publicada na edição de dezembro de 2020 do Tech Briefs.