Pionierarbeit: Elektronenstrahl-3D-Druck von Mikrogel-Strukturen in flüssigen Umgebungen

Dr. Andrei Kolmakov und ein Forscherteam am National Institute of Standards and Technology (NIST) haben eine Methode zum 3D-Druck winziger Gelstrukturen in Flüssigkeiten mit Elektronenstrahlen entwickelt – eine Methode, die zuvor auf Feststoffe beschränkt war.

Dr. Andrei Kolmakov: Eines der Projekte, die wir durchführen, nutzt Elektronenmikroskopie in ungewöhnlichen Umgebungen. Elektronenmikroskope arbeiten normalerweise im Vakuum. Es gibt viele Prozesse, beispielsweise in Batterien, Katalyse und in der Halbleiterindustrie, bei denen man Objekte in Hochdruckgas- oder Flüssigkeitsumgebungen betrachten möchte. Das ist mit einem Elektronenmikroskop schwer, weil es nicht tief in dichte Materialien eindringt.

Tech Briefs: Was hat Sie an diesem Projekt interessiert?

Im Rahmen unserer Forschung arbeiteten wir an Techniken zur Entwicklung von Elektronenbildgebungsfähigkeiten für verschiedene Anwendungen. Einmal, auf einer Materials Research Society (MRS) Tagung, bemerkte ich einen bio-bezogenen Aussteller, an dem ein Extrusionsdrucker Hydrogele druckte, indem er eine kleine Menge flüssiges Gel extrudierte, das durch UV-Licht geliert – verfestigt – wurde. Ich hatte sofort das Gefühl, dass unsere Arbeit an Elektronenmikroskopie in Flüssigkeiten zum Drucken von Gelen beitragen könnte. Für uns ist es egal, ob wir in einer Flüssigkeit oder in einem flüssigen Gel-Vorläufer bildgeben oder etwas tun.

In der nächsten Woche machten mein Postdoc und ich einen Test, um zu sehen, ob es machbar war, und zu unserem Erstaunen war es einfach. Also entschieden wir, dass wir auf etwas Großes gestoßen waren. Wir verbrachten ein Jahr oder mehr mit verschiedenen Tests, entwickelten diese Techniken und so geschah es.

Es war herausfordernd, weil über unseren Prozess nicht viel bekannt ist. Die Untersuchung der Vernetzung, der Bildung größerer Moleküle aus Flüssigkeiten, aus kleineren Vorläufern, mittels Elektronen, Gammastrahlen oder Röntgenstrahlen stammt im Wesentlichen aus der Strahlenphysik der 1960er Jahre. Aber vor uns nutzte niemand hochfokussierte Niedrigenergie-Elektronenstrahlen für solche Prozesse. Wir entschieden, dass dies eine neue Tür in Synthese, Lithografie oder sogar 3D-Druck öffnen könnte.

Tech Briefs: Wie werden Gele normalerweise hergestellt?

Dr. Kolmakov: Bei kommerziellen Geldruckern geschieht dies meist mit UV-Licht. Diese Drucker haben jedoch eine sehr geringe Auflösung im Vergleich zu uns. Sie haben typischerweise eine Merkmalsgröße im Millimeterbereich, während wir in den Nanometerbereich gehen können – eine Million Mal kleiner.

Die Funktionsweise eines Standard-3D-Druckers: Man hat eine Flüssigkeit – geschmolzenes Plastik oder flüssige Gel-Vorläuferlösung bei Bioprintern – und weil sie viskos ist, kann die Flüssigkeit langsam durch eine Düse extrudiert werden. Man kann das extrudierte Material kontrolliert auftragen, indem man die Düse über eine Oberfläche bewegt. Dann nutzt man UV-Licht, um die Schicht auszuhärten – zu verfestigen. Spezielle Chemikalien, sogenannte Initiatoren, müssen in der Lösung eingebettet sein, um diese Art der Verfestigung bei Bestrahlung mit UV-Licht zu ermöglichen. Man muss diese Chemikalien verwenden, weil das übliche Gel mit Licht nichts anstellt, es ist transparent.

In unserem Fall verwenden wir weder eine Düse noch Initiatoren. Wir können einfach mit dem flüssigen Vorläufer arbeiten, wie er ist, weil der Elektronenstrahl selbst die Initiierung im Wasser bewirkt.

Die Gel-Vorläuferlösung ist eine wässrige Lösung eines Ensembles von Molekülen, die vernetzt sind – sehr lange Moleküle, die chemisch miteinander verbunden sind. Man kann sie mit Wasser füllen, und sie quillt auf, weil Wasser die Räume zwischen den Molekülen füllt, oder man kann sie trocknen und sie schrumpft.

Ein Beispiel für eine typische Gel-Anwendung sind Kontaktlinsen. Allerdings besteht Bedarf, insbesondere in der Biologie, komplexere Strukturen zu erstellen. Wenn man beispielsweise künstliche Organe, sagen wir ein Ohr, erstellen wollte, könnte man ein Gerüst aus dem Gel herstellen und es mit biologischen Zellen besiedeln, die am Gel haften und dort wachsen. Deshalb ist die Bio-Industrie an solchen Techniken interessiert.

Stellen Sie sich vor, Sie wollen etwas wirklich Kleines herstellen, im Grunde auf der Ebene der einzelnen biologischen Zelle selbst. Oder Sie wollen einen elektrischen Kontakt zur Zelle herstellen, um Signale hin und her zu senden. Sie müssen das sanft tun, ohne die Zelle zu sehr zu stören, weil eine biologische Zelle ein sehr fragiler Organismus ist. Man könnte versuchen, sie mit einem Draht zu verbinden, aber das könnte destruktiv sein, selbst wenn man es sanft getan hat. In unserem Fall können wir Gele so klein herstellen, dass wir einen sehr kleinen Kontakt mit extrem hoher Präzision herstellen können. Wir können dies wegen der Fähigkeit der Elektronenstrahlen tun, auf sehr, sehr kleine Bereiche fokussiert zu werden.

Und noch etwas: Die Initiatorchemikalien, von denen ich sprach, sind oft toxisch. Wenn man etwas wirklich Kleines mit modernsten Zwei-Photonen-3D-Drucktechniken drucken will, muss man die Konzentration der Initiatoren erhöhen, sodass das Gel für Zellmaterial noch giftiger wird. In unserem Fall können wir extrem kleine Merkmale ohne jegliche toxischen Initiatoren herstellen.

Tech Briefs: Lassen Sie mich sicherstellen, dass ich den grundlegenden Prozess verstehe. So wie ich es sehe, 3D-drucken Sie mit dem Gel – Sie deponieren das Gel auf einem Substrat. Ist das richtig?

Dr. Kolmakov: Lassen Sie mich den Prozess genauer beschreiben. Stellen Sie sich vor, Sie haben ein Standard-Rasterelektronenmikroskop. Es ist eine Vakuumkammer mit einem sehr, sehr feinen Elektronenstrahl darin. Der Strahl kann so klein wie drei Nanometer sein. Wenn Ihr Proben im Vakuum ist, können Sie den Strahl über die Oberfläche scannen und ein Signal davon erhalten, woraus Sie ein Bild erhalten. Oder, wenn Sie etwas fertigen wollen, könnten Sie eine Schicht Material auflegen – man nutzt dies in der Halbleiterindustrie – Sie legen einen Fotolackfilm auf. Sie können dann etwas auf diesen Lack zeichnen, ihn chemisch mit einem Elektronenstrahl auf dem festen Film modifizieren und ihn danach mit speziellen Chemikalien zur Entfernung behandeln. Dann erhalten Sie ein Muster auf der Probenoberfläche. Das sind Standard-Elektronenmikroskopie- und Elektronenlithografie-Verfahren.

Das funktioniert gut mit festen Filmen oder Objekten, aber wir wollen so etwas in Flüssigkeiten tun. Das Problem ist, dass Flüssigkeiten im Vakuum nicht halten, sie verdampfen. Das Mikroskop würde kontaminiert – und das ist sehr teuer.

Um diese Herausforderung zu bewältigen, verwenden wir eine sehr dünne Membran, im 10-Nanometer-Bereich. Sie besteht aus Siliciumnitrid, einem Standard-Halbleitermaterial. Die Membran ist so dünn, dass Elektronen sie mit nur geringer Streuung oder Dämpfung durchdringen können, Gase und Flüssigkeiten jedoch nicht. Wir nutzen diesen Trick, um den Strahl in die Flüssigkeit zu bringen. Wir taten dies, indem wir eine kleine sekundäre Kammer mit einem Siliciumnitrid-Fenster erstellten und sie mit einem flüssigen Vorläufer für die Gelbildung füllten. Dann bestrahlten wir die Flüssigkeit sehr präzise mit Elektronen und erzeugten bestimmte Muster. In den Bereichen, wo der Elektronenstrahl trifft, wird die Flüssigkeit chemisch modifiziert, und ein Gel wird gebildet.

Das war unsere Hauptidee: die weiche Schicht auf diese Weise zu erzeugen. Dann kann man sie abheben, weil sie sehr, sehr nah an der Membran gebildet wird. Danach beginnt man, die zweite Schicht wachsen zu lassen, hebt diese ab, beginnt die dritte Schicht, und so weiter. Das war unser Ziel – einen Elektronenstrahl zu nutzen, um eine Schicht-für-Schicht-Gelstruktur innerhalb der Flüssigkeit zu erzeugen.

Tech Briefs: Also werden die Gele in bestimmten Mustern abgelegt?

Dr. Kolmakov: Ja, wir haben noch keine extrem komplexen Strukturen erstellt. Aber wir haben die Arten von einfachen Strukturen demonstriert, die möglich sind. Wichtig ist, wir haben auch den Weg demonstriert, wie die Abhebung durchgeführt werden kann. Beim 3D-Druck wird die Abhebung der ersten Schicht von der Membran zum Problem, weil sie haftet. Man muss also ein Verfahren für die Abhebung schaffen, um eine zweite Schicht auf die erste schreiben zu können.

Tech Briefs: Ist das Gel eine Grundstruktur, auf die man eine biologische Zelle oder bestimmte Sensoren setzen könnte?

Dr. Kolmakov: Ja, mit den Gelen kann man viel machen. Beispielsweise können leitfähige Gele als elektrische Kontakte verwendet werden. Oder, da sie transparent sind, können sie zur Herstellung von Lichtwellenleitern genutzt werden. Auch können einige Gele so hergestellt werden, dass sie auf bestimmte Reize reagieren. Zum Beispiel können sie temperatursensitiv oder pH-sensitiv gemacht werden. Man kann viele Funktionalitäten schaffen, indem man die Moleküle der Gele modifiziert. Auf diese Weise kann man funktionale Objekte wie Nanoschwimmer oder weiche Mikroroboter bauen.

Tech Briefs: Führt der Elektronenstrahl all diese Modifikationen durch?

Dr. Kolmakov: Nein, bisher macht der Elektronenstrahl selbst nur eine Form.

Tech Briefs: Wie macht man dann all die anderen Dinge?

Dr. Kolmakov: Man führt die Funktionalitäten in das Gel selbst ein. Zum Beispiel wollten wir Feuchtigkeit messen und den Sensor sehr, sehr klein machen. Wir fügten Goldnanopartikel in die Lösung ein und während des Schreibprozesses kapselten wir die Partikel in die Gelstruktur ein.

Tech Briefs: Sie sagen also, Sie geben die Partikel in die Mischung und nutzen dann den Elektronenstrahl, um die Struktur zu machen.

Dr. Kolmakov: Ja, die Partikel werden nun im Gel eingekapselt. Die Größe des Gelmaterials ist sehr empfindlich gegenüber Feuchtigkeit. Angenommen, es schrumpft, wenn es trocken ist, und quillt auf, wenn es feucht oder nass ist. Dann ändert sich der Abstand zwischen den eingebetteten Partikeln aufgrund der Feuchtigkeitsschwankungen. Man kann dann die Feuchtigkeit bestimmen, indem man die Farbe des Kompositgels überwacht. Die verwendete Technik heißt plasmonische Anregung. Man kann das optische Spektrum des Materials betrachten und den Abstand zwischen den Partikeln bestimmen. Dies ist ein einfacher Weg, Feuchtigkeit zu überwachen. Aber es gibt viele andere Dinge, die man tun kann. Zum Beispiel kann man das Gel-Molekül selbst so ändern, dass es auf pH reagiert. Man kann dann etwas wie einen Roboter machen, der sich bewegt, wenn die Säure sich ändert. Ein Nanoschwimmer-Roboter, der in bestimmte Körperbereiche eingeführt wird, könnte sich bewegen, wenn der pH-Wert der Lösung sich ändert. Der Vorteil ist, dass wir im Unterschied zu anderen derzeit für diese Zwecke verwendeten Technologien die Struktur extrem klein machen können – wir können sie tatsächlich kleiner als die Zelle selbst machen.

Tech Briefs: Kann man Röntgenstrahlen statt Elektronenstrahlen verwenden?

Dr. Kolmakov: In hohem Maße spielt es keine Rolle, welche Art ionisierender Strahlung wir verwenden. Der Vorteil sowohl von Elektronenstrahlen als auch von Röntgenstrahlen ist, dass man sie in einen sehr, sehr kleinen Spot fokussieren kann – man kann beide nutzen, um sehr kleine Strukturen zu schreiben. Röntgenstrahlen haben jedoch ihre eigenen Vorteile. Man kann die Energie des Strahls ändern, indem man seine Wellenlänge ändert. Da jedes chemische Element Röntgenstrahlen bei sehr spezifischen Wellenlängen absorbiert, kann man chemische Spezifität in den Schreibprozess einbringen. Zum Beispiel kann man sauerstoffhaltige Gele flacher oder tiefer schreiben, wenn man die Wellenlänge der Röntgenstrahlen näher an den Punkt der maximalen Sauerstoffabsorption heranführt oder davon entfernt.

Tech Briefs: Sind sie nicht gefährlicher?

Dr. Kolmakov: Nun, dies ist ionisierende Strahlung, daher müssen geeignete Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden, wie ausreichende Abschirmung des Strahls vom Benutzer. Aber es ist eine Frage der Dosis, die benötigt wird, um das Medium zu modifizieren. Die Fähigkeit des Elektronenstrahls, Wasser in Lösung zu ionisieren, ist sehr effektiv und erfordert keine großen Dosen – genau das nutzen wir als Vernetzungsmittel.

Tech Briefs: Sehen Sie dies in naher Zukunft kommerziell eingesetzt?

Dr. Kolmakov: Das Interesse der Industrie an dieser Technologie wird von den Fähigkeiten abhängen, die wir demonstrieren können. Ich denke, die größte Herausforderung jetzt, beispielsweise im 3D-Druck, ist, dass wir noch die Zuverlässigkeit der schichtweisen Abhebung vom Substrat verbessern müssen. Sobald wir komplexe submicron 3D-Strukturen zeigen, sollte die Industrie an dieser Technologie für den Druck sehr kleiner Dinge interessiert sein. Wir arbeiten weiter daran.

Tech Briefs: Könnte dies mit kommerziell verfügbaren Energiequellen durchgeführt werden?

Dr. Kolmakov: Genau! Das war unser Ziel, wir wollten dies der Gemeinschaft von Leuten demonstrieren, die mit Standard-Raster- oder Transmissionselektronenmikroskopen arbeiten, und es gibt Tausende davon weltweit. Auch gibt es Leute, die Röntgenmikroskope besitzen (eine neue Industrie) – diese sind kürzlich für Labore verfügbar geworden. Alle Maschinen, die wir in unserem Labor nutzen, sind kommerziell. Wir haben nur sehr einfache, maßgeschneiderte Aufbauten hinzugefügt. Also ist es definitiv möglich, dies im großen Maßstab zu tun. Noch mehr, es gibt neue Entwicklungen in der Mikroskopie selbst. Einige Unternehmen interessieren sich dafür, Elektronenmikroskope herzustellen, die in einer Umgebungsatmosphäre, also in Luft, betrieben werden können. Das wäre noch einfacher, denn man würde einfach sein Proben in Luft unter das Mikroskop legen.

Tech Briefs: Was begeistert Sie an diesem Projekt am meisten?

Dr. Kolmakov: Was mich am meisten begeistert, ist, dass dies eine brandneue Technologie ist und wir ganz am Anfang davon stehen. Mein Wunsch ist es, enthusiastische Partner und ausreichend Ressourcen und Manpower zu finden, um sie voranzutreiben.

Tech Briefs: Würden Sie mit einem kommerziellen Unternehmen zusammenarbeiten, um Ihre Techniken umzusetzen?

Dr. Kolmakov: Definitiv, ich würde mich freuen. Unsere Mission bei NIST ist es, der Industrie zu helfen, neue Technologie oder Messtechnik zu entwickeln.

Tech Briefs: Es scheint mir, dass viele Leute daran interessiert sein sollten.

Dr. Kolmakov: Richtig, Biologen, die mit der Druck-Community arbeiten, wären interessiert. Beispielsweise bauen Leute mit aktueller 3D-Bioprinting-Technologie zentimetergroße Gelstrukturen für Tissue Engineering. Es gibt jedoch auch Bedarf, sehr kleine Strukturen zu drucken, sagen wir auf Zellebene oder innerhalb der Zelle, aber das ist noch Science-Fiction. Es gibt noch keinen Markt – es ist ziemlich offener Raum. Wenn jemand eine vermarktbare Idee für künstliche subzelluläre Gelstrukturen hat, wird die Industrie interessierter. Es könnte sein, dass wir zu früh dran sind.

Tech Briefs: Können Sie Märkte vorhersagen?

Dr. Kolmakov: Nun, eines der Dinge, die ich interessant finde, ist, unsere Technologie mit Computer-Gehirn-Schnittstellen zu verknüpfen. Dort gibt es zwei große Herausforderungen. Eine ist die Entwicklung weicher Elektroden, die Gehirngewebe nicht beschädigen, und die andere ist, diese Elektroden in das Gehirn zu bringen.

Tech Briefs: Ich habe Elon Musk darüber sprechen hören.

Dr. Kolmakov: Ja. Das Problem ist, dass er eine ältere Technologie verwendet. Ihre Elektroden sind fest – nicht sehr flexibel – und nicht extrem gewebefreundlich. Das zweite ist, sie müssen eine Operation am Schädel durchführen, um die Elektroden zu implantieren. Was ich mit unserer Methode sehe, ist, dass wir die Elektroden viel dünner, viel flexibler und viel biofreundlicher machen können. Auch können unsere Elektroden elektronische und ionische Signale übertragen und sind optisch transparent, sodass sie optische Signale hin und her übertragen können. Meiner Meinung nach ist dies eine weitaus bessere Aussicht für Gehirnaktivitäts-Bildgebung als alles andere. Das ist wahrscheinlich die heißeste Anwendung, die ich mir vorstellen kann. Praktisch jeder, der in weicher Elektronik arbeitet, hat jetzt Computer-Gehirn-Schnittstellen im Hinterkopf. Anfangs wird es für Menschen sein, die Funktionen verloren haben, beispielsweise Mobilität, weil sie verzweifelt sind. Aber irgendwann – stellen Sie sich vor, Sie haben ein zweites Gehirn in Ihrem Besitz.

Es gibt einen sehr kleinen Spalt, denke ich, zwischen Science-Fiction und Realität jetzt… Dies ist ein riesiges Feld und was wir tun, ist nur ein sehr kleiner Beitrag. Leute haben viel gelernt, indem sie begannen, die Signale zu lesen, die Gehirne erzeugen. Das Verständnis des Gehirns hat bereits die Art geändert, wie wir Computing betreiben, und zur Entstehung einer neuen Technologie geführt: neuromorphes Computing. Leute versuchen, Computer mit einer völlig anderen Architektur und Sprache, und sogar Logik, zu erschaffen, während sie noch die normalen Elemente, die üblichen Halbleiter, verwenden. Es wäre weniger digital und mehr in analog und Mustererkennung und könnte verschiedene, beispielsweise weiche Materialien statt anorganischer Transistoren oder anderer Geräte wie Memristoren nutzen.

Eine bearbeitete Version dieses Interviews erschien in der Dezember 2020 Ausgabe von Tech Briefs.