Электронные и рентгеновские микроскопы приспособили для 3D-печати гидрогеля

Американские и итальянские ученые разработали новый метод 3D-печати гидрогелевых структур с разрешением менее 100 нанометров и без применения фотоинициатора. В нем для затвердевания полимерных прекурсоров используется сфокусированный поток электронов или рентгеновское излучение, при этом в безопасной для живых клеток дозе, поэтому таким способом можно фиксировать в гидрогеле клетки или микроорганизмы для последующего изучения, рассказывают авторы статьи в ACS Nano.

В 3D-печати наиболее распространены экструзионные методы, при которых жидкий материал выдавливается из сопла и застывает. Вторая большая группа методов, которая более популярна в медицине, использует облучение для затвердевания жидких прекурсоров. К примеру, в методе лазерной стереолитографии (SLA) лазерный луч, обычно в ультрафиолетовом диапазоне, скользит по дну сосуда с прекурсорами полимеров, благодаря чему в местах его фокусировки фотоотверждающее вещество инициирует процесс «сшивания» молекул-прекурсоров полимеров.

Также относительно недавно появился метод FEBID, в котором для затвердевания используется не ультрафиолетовое излучение, а поток электронов. В нем используется небольшая трубка, подающая на поверхность образца газовую фазу, молекулы которой из-за физической адсорбции проникают в поверхностные слои и под действием потока электронов диссоциируют. В результате на поверхности остаются остатки молекул, затем процесс повторяется уже с новым объемом газа из трубки. Этот метод позволяет достигать нанометрового разрешения печати, но из-за того, что в нем используется сканирующий электронный микроскоп с вакуумной камерой, с ним нельзя использовать распространенные жидкие прекурсоры, в том числе для создания гидрогелей, необходимых в медицинских исследованиях.

Ученые под руководством Андрея Колмакова (Andrei Kolmakov) из Национального института стандартов и технологий США показали, что электронные или рентгеновские лучи можно использовать и с жидкими прекурсорами. Ученые создали две камеры, совместимые со сканирующими электронными микроскопами. Камеры имели круглую форму с трубками для подачи прекурсоров и вырезом сверху. В этот вырез ученые установили кремниевую пластину с девятью прозрачными для электронов и рентгеновских лучей окошками из нитрида кремния толщиной 50 нанометров и шириной 100 микрометров. Пластина герметично прикрепляется к стенкам выреза в камере и способна выдержать перепад давления в одну атмосферу, образующийся при откачке воздуха из рабочей зоны микроскопа.

Внутрь камеры ученые подавали 20-процентный водный раствор полиэтиленгликоля диакрилата (PEGDA), а затем перемещали сфокусированный поток электронов или рентгеновских лучей, вычерчивая нужный узор. Управлять формируемой структурой можно меняя параметры излучения: энергию пучка, интенсивность облучения, шаг или время выдержки (время, которое луч проводит в одной точке). В результате жидкий прекурсор «сшивается» и в жидкости образуется гидрогелевая структура.

«Сшивание» молекул при облучении электронами происходит по двум механизмам, соотношение между которыми зависит от множества факторов: прямой активации реакционноспособных групп при попадании электрона или радиолиза молекул раствора, в результате которого образуется множество разных свободных радикалов, способствующих соединению мономеров. В данном случае полимеризация происходит в основном благодаря радиолизу.

Изучая образцы гидрогелевых структур и сравнивая их параметры с расчетными, авторы обнаружили, что в реальности размер мелких деталей структур получается заметно больше. Они предположили, что причина заключается в том, что образующиеся при радиолизе свободные радикалы перед реакцией успевают переместиться в растворе на некоторое расстояние. Изначально ученые подумали, что за это ответственны гидроксидные ионы, но симуляция показала, что их время жизни и, следовательно, длина пробега недостаточны, чтобы объяснить разницу в размерах. В итоге они обнаружили, что вероятнее всего, за этот процесс отвечают гидропероксильные ионы, образующиеся при облучении раствора. При облучении рентгеновскими лучами происходят похожие процессы, но электроны поступают в раствор не напрямую, а благодаря Оже-эффекту. Главное технологическое отличие рентгеновских лучей в этом методе печати заключается в том, что они проникают в раствор прекурсоров на большую глубину и соответственно позволяют печатать более глубокие структуры.

Ученые показали, что метод можно применять не только для непосредственно печати, но и для захвата объектов в гидрогель. Они продемонстрировали это на примере золотых наночастиц и живых клеток. Во втором случае помимо способности зафиксировать клетки в гидрогеле необходимо было выяснить, не будет ли уровень излучения критическим для клеток. Авторы использовали линию человеческих клеток аденокарциномы Caco-2 и облучали их пучком электронов с энергией 10 килоэлектронвольт и средней дозой облучения восемь электронов на квадратный нанометр. Предварительно ученые добавили в раствор модифицированный флуорексон, который поглощается клетками и превращается во флуоресцентный флуорексон, неспособный перейти через кленточную мембрану наружу. Исследование показало, что клетки продолжили вырабатывать флуорексон после фиксации в гидрогеле, что подтверждает целостность клеточных мембран.

В качестве одного из отдаленных применений авторы рассматривают соединение нейронов с электродами при помощи гидрогеля. Недавно другая группа исследователей из США представила метод печати нейронных зондов и продемонстрировала подключение зонда к мозгу мыши.

Григорий Копиев