La tecnica di stampa in nanoscala 4D ricrea le superfici cellulari: fotolitografia ipersuperfici a pennello polimerico
Mentre la stampa 3D sta aiutando l’umanità a creare alcuni dei costrutti più sconcertanti che potremmo mai immaginare, i ricercatori stanno ora approfondendo l’intricata tecnologia della stampa 4D per comprendere la complessità della natura. Abbiamo visto come gli esperti hanno applicato questa tecnologia in medicina, applicazioni industriali e persino nell’industria cinematografica , facendo un ulteriore passo avanti e utilizzando materiali speciali e stimoli esterni per rendere il 3D un cambio di forma nel tempo. Ai primi di marzo, ricerche presso il Centro di ricerca scientifica avanzata (ASRC) presso il Graduate Center della City University di New York (CUNY) e la Northwestern University hanno creato una stampante 4D in grado di costruire superfici modellate che ricreano la complessità delle superfici cellulari.
Come spiegato in un articolo pubblicato su Nature Communications , il metodo di stampa, chiamato fotolitografia polimerica con pennello ipersuperficiale, consente agli scienziati di combinare chimica organica, scienza delle superfici e nanolitografia per costruire superfici nanopatternate progettate con precisione che sono decorate con delicate molecole organiche o biologiche.
Gli autori suggeriscono che “i modelli di pennelli polimerici hanno un ruolo centrale nelle discipline di ricerca consolidate ed emergenti, dai microarray e dalle superfici intelligenti all’ingegneria dei tessuti. Le proprietà di queste superfici modellate dipendono dalla composizione del monomero, dall’altezza del polimero e dalla distribuzione della spazzola sulla superficie. ” Secondo l’ASRC, il nuovo sistema supera una serie di limitazioni presenti in altre tecniche di stampa biomateriale, ad esempio non esiste un metodo litografico attuale in grado di regolare ciascuna delle variabili di queste superfici modellate in modo indipendente e con una risoluzione su scala micrometrica.
Tuttavia, grazie alla combinazione di microfluidica, fotochimica organica e nanolitografia avanzata, i ricercatori sono stati in grado di creare una stampante senza maschera in grado di preparare array multiplex di delicata materia organica e biologica. Quindi, la tecnica consente ai ricercatori di creare oggetti 4D con materia strutturata con precisione e composizione chimica su misura in ogni voxel, una capacità che gli autori chiamano “litografia ipersuperfici”.
Le superfici avranno un’ampia varietà di usi, tra cui ricerca di farmaci, sviluppo di biosensori e ottica avanzata. Gli autori affermano che la cosa più importante di questa tecnologia è che può creare superfici con materiali diversi e che questi materiali possono essere modellati sulla superficie senza l’uso di costosi fotomaschere (una lastra opaca comunemente usata nella fotolitografia con trasparenze che consentono alla luce di brillare) o noiosi processi in camera bianca.
Il ricercatore primario dello studio e professore associato di nanoscienza presso il CUNY ASRC, Adam Braunschweig, ha dichiarato: “Mi viene spesso chiesto se ho usato questo strumento per stampare una sostanza chimica specifica o preparare un sistema particolare. La mia risposta è che abbiamo creato un nuovo strumento per eseguire la chimica organica sulle superfici, e il suo utilizzo e applicazione sono limitati solo dall’immaginazione dell’utente e dalla sua conoscenza della chimica organica “.
Gli interessi di ricerca di Braunschweig includono la chimica delle superfici organiche, nonché la metodologia e lo sviluppo della strumentazione per la nanolitografia organica 4D. In questo articolo, l’esperto di chimica organica affronta una grande sfida nella chimica di superficie (un campo che studia le reazioni chimiche alle interfacce). Apparentemente, il team di ricercatori ha indicato che il controllo della morfologia e della composizione chimica delle interfacce con precisione su scala micrometrica è una sfida chiave, con ripercussioni dalla biologia all’ottica e alla scienza dei materiali.
La nuova tecnica produce pixel polimerici combinando un dispositivo digitale a micromirror (DMD), una camera di reazione priva di aria e microfluidica per controllare in modo indipendente la composizione del monomero e l’altezza del polimero di ciascun pixel. La stampante personalizzata è stata costruita su uno strumento TERA Print serie E , che coordina il DMD, la sorgente luminosa e lo stadio piezoelettrico con un’interfaccia CPU per proiettare i motivi presi da un file di immagine caricato su un substrato. E, come affermato nella carta, “le capacità della stampante sono dimostrate preparando modelli da spazzole combinatorie di polimeri e copolimeri a blocchi”.
Daniel Valles, uno studente di dottorato nel laboratorio di Braunschweig presso il CUNY Graduate Center e coautore del documento, ha ritenuto che “i ricercatori hanno lavorato per utilizzare tecniche litografiche per modellare le superfici con biomolecole, ma ad oggi non abbiamo sviluppato un sistema abbastanza sofisticato per costruire qualcosa di complicato come una superficie cellulare. Prevediamo di utilizzare questo sistema per assemblare cellule sintetiche che consentano ai ricercatori di replicare e comprendere le interazioni che si verificano sulle cellule viventi, il che porterà al rapido sviluppo di medicinali e altre tecnologie bio-ispirate. “
Come prova di concetto, i ricercatori hanno stampato modelli di pennelli polimerici usando precise dosi di luce per controllare l’altezza del polimero su ciascun pixel. Come illustrato dall’immagine di Lady Liberty, il coordinamento tra la microfluidica e la sorgente luminosa controlla la composizione chimica di ciascun pixel .
“La chimica dei polimeri fornisce un insieme così potente di strumenti e le innovazioni nella chimica dei polimeri sono state i principali motori della tecnologia nel corso dell’ultimo secolo”, ha affermato il coautore e professore di chimica, scienza dei materiali, ingegneria e ingegneria biomedica presso la Northwestern University , Nathan Gianneschi. “Questo lavoro estende questa innovazione alle interfacce in cui le strutture arbitrarie possono essere realizzate in modo altamente controllato e in un modo che ci consente di caratterizzare ciò che abbiamo realizzato e di generalizzarlo ad altri polimeri”
I ricercatori concludono che “l’integrazione della microfluidica e una camera di reazione priva di aria con la DMD è l’innovazione chiave che consente l’innesto controllato dal punto di vista spaziale di materiali diversi sul substrato e, in linea di principio, potrebbe essere utilizzato per realizzare modelli polimerici composti da un numero praticamente illimitato di composizioni di pennelli uniche. “
Inoltre, i ricercatori hanno in programma di continuare lo sviluppo di questa nuova piattaforma di stampa per aumentare la velocità del sistema, ridurre le dimensioni dei pixel e sviluppare nuovi prodotti chimici per aumentare la portata dei materiali che possono essere modellati. Attualmente, stanno usando gli schemi creati da questa piattaforma per comprendere le sottili interazioni che determinano il riconoscimento nei sistemi biologici. Ma alla fine, prevedono una nuova era della litografia soft in cui la fabbricazione di superfici sintetiche con una complessità paragonabile a quella che si trova nelle interfacce biologiche diventerà presto una realtà.
Supportata da finanziamenti della National Science Foundation (NSF), del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti attraverso un’iniziativa di ricerca universitaria multidisciplinare e dell’US Air Force Office of Science Research , questa indagine potrebbe far avanzare ampiamente discipline come chimica, scienze dei materiali e biologia, e essere applicato dai microarray alla modellazione, nonché utile per comprendere le interazioni dei polimeri con cellule, batteri e virus.
