Nanoskala 4-D printteknik kan fremskynde udviklingen af ​​nye terapier

Forskere ved Advanced Science Research Center ved The Graduate Center, CUNY (CUNY ASRC) og Northwestern University har skabt en 4-D printer, der er i stand til at konstruere mønstrede overflader, der genskaber kompleksiteten af ​​celleoverflader. Teknologien, detaljeret i et nyligt offentliggjort papir i Naturkommunikation , giver forskere mulighed for at kombinere organisk kemi, overfladevidenskab, og nanolitografi til at konstruere præcist designede nanomønstrede overflader, der er dekoreret med sarte organiske eller biologiske molekyler. Overfladerne vil have en bred vifte af anvendelser, herunder i lægemiddelforskning, udvikling af biosensorer, og avanceret optik. Vigtigt, denne teknologi kan skabe overflader med forskellige materialer, og disse materialer kan mønstres på tværs af overfladen uden brug af dyre fotomasker eller kedelige renrumsprocesser.

"Jeg bliver ofte spurgt, om jeg har brugt dette instrument til at printe et bestemt kemikalie eller forberede et bestemt system, " sagde undersøgelsens primære efterforsker Adam Braunschweig, et fakultetsmedlem med CUNY ASRC Nanoscience Initiative og The Graduate Center og Hunter College Chemistry Departments. "Mit svar er, at vi har skabt et nyt værktøj til at udføre organisk kemi på overflader, og dets brug og anvendelse er kun begrænset af brugerens fantasi og deres viden om organisk kemi."

Trykmetoden, kaldet Polymer Brush Hypersurface Photolithography, kombinerer mikrofluidik, organisk fotokemi, og avanceret nanolitografi til at skabe en maskefri printer, der er i stand til at forberede multipleksede arrays af delikat organisk og biologisk materiale. Det nye system overvinder en række begrænsninger, der findes i andre biomateriale trykteknikker, giver forskere mulighed for at skabe 4-D-objekter med præcist struktureret stof og skræddersyet kemisk sammensætning ved hver voxel - en egenskab, som forfatterne omtaler som "hypersurface-litografi".

"Forskere har arbejdet på at bruge litografiske teknikker til at mønstre overflader med biomolekyler, men til dato har vi ikke udviklet et system, der er sofistikeret nok til at konstruere noget så kompliceret som en celleoverflade, sagde Daniel Valles, et Graduate Center, CUNY doktorand i Braunschweigs laboratorium. "Vi forestiller os at bruge dette system til at samle syntetiske celler, der gør det muligt for forskere at replikere og forstå de interaktioner, der forekommer på levende celler, som vil føre til den hurtige udvikling af medicin og andre bioinspirerede teknologier."

Som proof-of-concept, forskerne printede polymerbørstemønstre ved hjælp af præcise doser af lys til at kontrollere polymerhøjden ved hver pixel. Som illustreret af Lady Liberty-billedet, koordination mellem mikrofluidikken og lyskilden styrer den kemiske sammensætning ved hver pixel.

"Polymerkemi giver et så kraftfuldt sæt værktøjer, og innovationer inden for polymerkemi har været vigtige drivkræfter for teknologi gennem det sidste århundrede, " sagde avisens medforfatter Nathan Gianneschi, hvem er Jacob &Rosaline Cohn professor i kemi, Materialevidenskab og teknik, og biomedicinsk teknik ved Northwestern University. "Dette arbejde udvider denne innovation til grænseflader, hvor vilkårlige strukturer kan laves på en meget kontrolleret måde, og på en måde, der giver os mulighed for at karakterisere det, vi har lavet, og at generalisere det til andre polymerer."

"Dette papir er en tour-de force demonstration af, hvad der kan gøres med massivt parallelle litografiværktøjer, " sagde Chad Mirkin, George B. Rathmann, Professor i kemi og direktør for International Institute for Nanotechnology ved Northwestern University's Weinberg College of Arts and Sciences, som ikke er medforfatter til undersøgelsen. "Medforfatterne har skabt et kraftfuldt sæt af kapaciteter, der bør udnyttes kraftigt på tværs af kemien, materiale videnskab, og biologiske samfund."

Forskerne planlægger at fortsætte udviklingen af ​​denne nye printplatform for at øge systemhastigheden, reducere pixeldimensioner, og udvikle nye kemier til at øge omfanget af materialer, der kan mønstres. I øjeblikket, de bruger mønstrene skabt af denne platform til at forstå de subtile interaktioner, der dikterer genkendelse i biologiske systemer.