美國國家標準技術(shù)研究院（NIST）的研究人員開發(fā)了一種3D打印凝膠和其他軟材料的新方法。這項研究發(fā)表在一篇新論文中，它具有創(chuàng)造納米級精度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的潛力。由于許多凝膠與活細胞兼容，因此這種新方法可以迅速開始生產(chǎn)軟質(zhì)微型醫(yī)療設(shè)備，例如藥物輸送系統(tǒng)或可以插入人體的柔性電極。

標準的3D打印機通過創(chuàng)建材料薄片（通常是塑料或橡膠）并逐層構(gòu)建它們（例如千層面），直到制作出整個物體。

NIST研究人員Andrei Kolmakov說，使用3D打印機制造由凝膠制成的物體“有點像精致的烹飪過程”。在標準方法中，3D打印機腔室充滿了溶解在水中的長鏈聚合物湯（長鏈分子結(jié)合在一起）。然后添加“香料”（一種對光敏感的特殊分子）。當3D打印機發(fā)出的光激活這些特殊分子時，它們會將聚合物鏈縫合在一起，從而形成蓬松的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這種仍被液態(tài)水包圍的就是凝膠。

通常，現(xiàn)代3D凝膠打印機使用紫外線或可見激光來促進凝膠支架的形成。然而Kolmakov和他的同事們將注意力集中在使用電子束或X射線制造凝膠的另一種3D打印技術(shù)上。由于這些類型的輻射比紫外線和可見光具有更高的能量或更短的波長，因此這些光束可以更緊密地聚焦，因此可以產(chǎn)生具有更精細結(jié)構(gòu)細節(jié)的凝膠。這些細節(jié)正是組織工程以及許多其他醫(yī)學和生物學應(yīng)用所需的。電子和X射線還有第二個優(yōu)勢：它們不需要特殊的分子即可促進凝膠的形成。

但是目前，這種緊密聚焦的短波長輻射的來源（掃描電子顯微鏡和X射線顯微鏡）只能在真空中運行。這有一個問題，因為在真空中每個腔室中的液體都會蒸發(fā)而不是形成凝膠。

Kolmakov和他在NIST和意大利Trieste的同事解決了這個問題，并通過在真空和液體室之間放置超薄的屏障(一層氮化硅薄片)演示了在液體中使用3D凝膠打印技術(shù)。薄片可防止液體蒸發(fā)（通常在真空中會發(fā)生蒸發(fā)），但允許X射線和電子滲透到液體中。該方法使該團隊能夠使用3D打印方法來創(chuàng)建結(jié)構(gòu)小至100納米（nm）的凝膠（比人的頭發(fā)薄1000倍）。通過改進他們的方法，研究人員希望能在凝膠上印上50納米的結(jié)構(gòu)。

用這種方法制成的一些結(jié)構(gòu)可能在未來用于監(jiān)視大腦活動的柔性可注射電極、用于病毒檢測的生物傳感器、微型機器人以及可以模擬活細胞并為其生長提供媒介的結(jié)構(gòu)。

Kolmakov說：“我們正在將新工具（在液體中運行的電子束和X射線）引入軟材料的3D打印中。” 他和他的同事在2020年9月16日通過發(fā)表在ACS Nano上的一篇文章中描述了他們的工作。