Fragen und Antworten:Eine neue Methode für den 3D-Druck winziger Gelstrukturen

Dr. Andrei Kolmakov und ein Forscherteam des National Institute of Standards and Technology (NIST) haben ein Verfahren zum 3D-Drucken winziger Gelstrukturen in Flüssigkeiten mit Elektronenstrahlen entwickelt – ein Verfahren, das bisher auf Festkörper beschränkt war.

Dr. Andrej Kolmakow: Eines der Projekte, die wir durchführen, ist die Verwendung der Elektronenmikroskopie in ungewöhnlichen Umgebungen. Elektronenmikroskope arbeiten normalerweise im Vakuum. Es gibt viele Prozesse, z. B. in Batterien, Katalyse und in der Halbleiterindustrie, bei denen Sie Objekte untersuchen möchten, die sich in Gas- oder Flüssigkeitsumgebungen mit hohem Druck befinden. Mit einem Elektronenmikroskop ist das schwierig, weil es nicht zu tief in dichte Materialien eindringt.

Technische Informationen: Was hat Ihr Interesse an diesem Projekt geweckt?

Im Rahmen unserer Forschung arbeiteten wir an Techniken zur Entwicklung von Möglichkeiten zur Elektronenbildgebung für verschiedene Anwendungen. Einmal bemerkte ich bei einem Treffen der Materials Research Society (MRS) ein biobezogenes Exponat, bei 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 der Elektronenmikroskopie in Flüssigkeiten zum Drucken von Gelen beitragen könnte. Für uns spielt es keine Rolle, ob wir in einer Flüssigkeit oder in einem flüssigen Gelvorläufer abbilden 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 beschlossen wir, dass wir etwas Großes vorhatten. Wir haben ein Jahr oder länger mit verschiedenen Arten von Tests verbracht, diese Techniken entwickelt und so ist es passiert.

Es war eine Herausforderung, weil nicht so viel über unseren Prozess bekannt ist. Das Studium der Vernetzung, der Bildung größerer Moleküle aus Flüssigkeiten, aus kleineren Vorläufern, unter Verwendung von Elektronen oder Gamma- oder Röntgenstrahlen stammt im Wesentlichen aus der Strahlungsphysik der 1960er Jahre. Aber vor uns hat niemand hochfokussierte niederenergetische Elektronenstrahlen für diese Art von Prozessen verwendet. Wir entschieden, dass dies eine neue Tür in der Synthese, Lithographie oder sogar dem 3D-Druck öffnen könnte.

Technische Informationen: Wie werden Gele normalerweise hergestellt?

Dr. Kolmakow: Bei kommerziellen Geldruckern erfolgt dies normalerweise mit UV-Licht. Allerdings haben diese Drucker im Vergleich zu uns eine sehr geringe Auflösung. Sie haben typischerweise eine Strukturgröße im Millimeterbereich, wohingegen wir bis in den Nanometerbereich gehen können – eine Million Mal kleiner.

Die Funktionsweise eines Standard-3D-Druckers besteht darin, dass Sie eine Flüssigkeit haben:geschmolzener Kunststoff oder eine flüssige Gelvorläuferlösung im Fall von Biodruckern, und weil sie viskos ist, kann die Flüssigkeit langsam durch eine Düse extrudiert werden. Sie können die extrudierte Flüssigkeit kontrollierbar auftragen, indem Sie die Düse über eine Oberfläche bewegen. Anschließend können Sie die von Ihnen erstellte Schicht mit UV-Licht aushärten – verfestigen. Um diese Art der Verfestigung bei Bestrahlung mit UV-Licht zu ermöglichen, müssen spezielle Chemikalien, sogenannte Initiatoren, in die Lösung eingebettet werden. Sie müssen diese Chemikalien verwenden, weil das übliche Gel nichts mit Licht zu tun hat, es ist transparent.

In unserem Fall verwenden wir weder eine Düse noch Initiatoren. Wir können einfach mit dem flüssigen Precursor arbeiten, da der Elektronenstrahl selbst die Initiierung im Wasser durchführt.

Die Gelvorläuferlösung ist eine Wasserlösung aus einem Ensemble vernetzter Moleküle – sehr lange Moleküle, die chemisch miteinander verbunden sind. Sie können es mit Wasser füllen und es quillt auf, weil Wasser die Zwischenräume zwischen den Molekülen füllt, oder Sie können es trocknen und es schrumpft.

Ein Beispiel für eine typische Gelanwendung sind Kontaktlinsen. Es besteht jedoch insbesondere in der Biologie Bedarf an komplexeren Strukturen. Wenn Sie beispielsweise künstliche Organe herstellen möchten, sagen wir ein Ohr, könnten Sie aus dem Gel ein Gerüst herstellen und es mit biologischen Zellen bevölkern, die an dem Gel haften und dort wachsen. Deshalb ist die Bioindustrie an solchen Techniken interessiert.

Stellen Sie sich jetzt vor, Sie wollen etwas wirklich Kleines machen, im Grunde auf der Ebene der einzelnen biologischen Zelle selbst. Oder sagen Sie, Sie möchten einen elektrischen Kontakt zur Zelle herstellen, um ein Signal hin und her zu senden. Sie müssen es sanft tun, ohne die Zelle zu sehr zu stören, da eine biologische Zelle ein sehr zerbrechlicher Organismus ist. Sie könnten versuchen, es mit einem Draht zu verbinden, aber das könnte destruktiv sein, selbst wenn Sie es vorsichtig gemacht haben. In unserem Fall sind wir in der Lage, so kleine Gele herzustellen, dass wir einen sehr kleinen Kontakt mit extrem hoher Präzision herstellen können. Wir können dies tun, weil die Elektronenstrahlen auf sehr, sehr kleine Bereiche fokussiert werden können.

Und noch etwas, die Initiatorchemikalien, von denen ich zuvor gesprochen habe, sind oft giftig. Wer mit modernsten Zwei-Photonen-3D-Drucktechniken etwas ganz Kleines drucken will, muss die Konzentration der Initiatoren erhöhen, damit das Gel noch giftiger für Zellmaterial wird. In unserem Fall können wir extrem kleine Merkmale herstellen, ohne giftige Initiatoren zu verwenden.

Technische Informationen: Lassen Sie mich sicherstellen, dass ich dem grundlegenden Prozess folge. So wie ich es sehe, druckt man mit dem Gel in 3D – man bringt das Gel auf einem Substrat auf. Stimmt das?

Dr. Kolmakow: Lassen Sie mich den Vorgang 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 bis zu drei Nanometer klein sein. Wenn sich Ihre Probe in der Vakuumkammer befindet, können Sie den Strahl über die Oberfläche scannen und ein Signal davon erhalten, und daraus erhalten Sie ein Bild. Oder wenn Sie etwas herstellen möchten, können Sie beispielsweise eine Materialschicht aufbringen – die Leute verwenden dies für die Halbleiterindustrie – Sie legen einen Fotolackfilm auf. Auf diesen Resist kann man dann etwas zeichnen, ihn mit einem Elektronenstrahl auf dem festen Film chemisch modifizieren und anschließend mit speziellen Chemikalien zur Entfernung behandeln. Dann erhalten Sie ein Muster auf der Oberfläche der Probe. Dies sind Standard-Elektronenmikroskopie- und Elektronenlithographieverfahren.

Bei festen Filmen oder Objekten ist das in Ordnung, aber bei Flüssigkeiten wollen wir so etwas machen. Das Problem ist, dass Flüssigkeiten im Vakuum nicht halten, sie verdampfen. Das Mikroskop würde verunreinigt werden – und das ist sehr teuer.

Um dieser Herausforderung gerecht zu werden, verwenden wir eine sehr dünne Membran im 10-Nanometer-Bereich. Es besteht aus Siliziumnitrid, 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 verwenden diesen Trick, um den Strahl in die Flüssigkeit zu liefern. Wir taten dies, indem wir eine kleine Sekundärkammer mit einem Siliziumnitridfenster erstellten und sie mit einem flüssigen Vorläufer für die Gelbildung füllten. Die Flüssigkeit haben wir dann ganz gezielt mit Elektronen bestrahlt, wodurch bestimmte Muster entstanden sind. An den Stellen, an denen der Elektronenstrahl auftrifft, wird die Flüssigkeit chemisch modifiziert und es bildet sich ein Gel.

Das war unsere Hauptidee:die weiche Schicht auf diese Weise zu erzeugen. Dann können Sie es delaminieren, weil es sehr, sehr nahe an der Membran gebildet wird. Danach beginnen Sie mit dem Aufwachsen der zweiten Schicht, delaminieren diese, beginnen mit dem Aufwachsen der dritten Schicht und so weiter. Unser Ziel war es, mithilfe eines Elektronenstrahls Schicht für Schicht eine Gelstruktur in der Flüssigkeit zu erzeugen.

Technische Informationen: Also werden die Gele in bestimmten Mustern aufgetragen?

Dr. Kolmakow: Ja, wir haben bisher keine extrem komplexen Strukturen erstellt. Aber wir haben gezeigt, welche einfachen Strukturen möglich sind. Wichtig ist, dass wir auch gezeigt haben, wie die Delaminierung durchgeführt werden könnte. Beim 3D-Druck wird die Ablösung der ersten Schicht von der Membran zu einem Problem, da sie klebt. Sie müssen also ein Verfahren zum Delaminieren erstellen, um eine zweite Schicht auf die erste schreiben zu können.

Technische Informationen: Ist das Gel eine Grundstruktur, auf die man eine biologische Zelle oder irgendwelche Sensoren setzen könnte?

Dr. Kolmakow: Ja, mit den Gelen kann man vieles machen. Als elektrische Kontakte können beispielsweise leitfähige Gele verwendet werden. Oder da sie transparent sind, können sie zur Herstellung von optischen Fasern verwendet werden. Außerdem könnten einige Gele so hergestellt werden, dass sie auf bestimmte Stimuli reagieren. Beispielsweise können sie temperatur- oder pH-empfindlich gemacht werden. Sie können viele Funktionalitäten schaffen, indem Sie die Moleküle der Gele modifizieren. Auf diese Weise können Sie funktionale Objekte wie Nanoschwimmer oder weiche Mikroroboter bauen.

Technische Informationen: Macht der Elektronenstrahl all diese Modifikationen?

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

Technische Informationen: Also, wie machen Sie all die anderen Dinge?

Dr. Kolmakov: Sie führen die Funktionalitäten in das Gel selbst ein. Wir wollten zum Beispiel Feuchtigkeit messen und den Sensor sehr, sehr klein machen. Wir haben Gold-Nanopartikel in die Lösung gegeben und während des Schreibvorgangs haben wir die Partikel in die Gelstruktur eingekapselt.

Technische Informationen: Sie sagen also, Sie haben die Partikel in die Mischung gegeben und dann den Elektronenstrahl verwendet, um die Struktur herzustellen.

Dr. Kolmakow: Ja, die Partikel werden jetzt im Gel eingekapselt. Die Größe des Gelmaterials ist sehr feuchtigkeitsempfindlich. Nehmen wir an, es schrumpft, wenn es draußen trocken ist, und quillt auf, wenn es nass oder feucht ist. Dann ändert sich der Abstand zwischen den eingebetteten Partikeln aufgrund der Feuchtigkeitsschwankungen. Sie können dann die Feuchtigkeit bestimmen, indem Sie die Farbe des zusammengesetzten Gels überwachen. Die Technik, die wir verwenden, heißt plasmonische Anregung. Sie können das optische Spektrum des Materials betrachten und den Abstand zwischen den Partikeln bestimmen. Dies ist also eine einfache Möglichkeit, die Luftfeuchtigkeit zu überwachen. Aber es gibt noch viele andere Dinge, die Sie tun können. Beispielsweise können Sie das Gelmolekül selbst so ändern, dass es auf den pH-Wert reagiert. Sie können dann so etwas wie einen Roboter bauen, der sich bewegt, wenn sich der Säuregehalt ändert. Ein Nanoschwimmer-Roboter, der in bestimmte Bereiche des Körpers eingeführt wird, könnte sich bewegen, wenn sich der pH-Wert der Lösung ändert. Der Vorteil besteht darin, dass wir im Gegensatz zu anderen Technologien, die derzeit für diese Zwecke verwendet werden, die Struktur extrem klein machen können – wir können sie tatsächlich kleiner als die Zelle selbst machen.

Technische Informationen: Kann man statt Elektronenstrahlen auch Röntgenstrahlen verwenden?

Dr. Kolmakow: Es spielt weitgehend keine Rolle, welche Art von ionisierender Strahlung wir verwenden. Der Vorteil sowohl von Elektronenstrahlen als auch von Röntgenstrahlen besteht darin, dass Sie sie auf einen sehr, sehr kleinen Fleck fokussieren können – Sie können beide verwenden, um sehr kleine Strukturen zu schreiben. Röntgenstrahlen haben jedoch ihre eigenen Vorteile. Sie können die Energie des Strahls ändern, indem Sie seine Wellenlänge ändern. Da jedes chemische Element Röntgenstrahlen bei sehr spezifischen Wellenlängen absorbiert, können Sie dem Schreibprozess chemische Spezifität hinzufügen. Beispielsweise können Sie sauerstoffhaltige Gele flacher oder tiefer schreiben, wenn Sie die Wellenlänge der Röntgenstrahlen näher an den Punkt der maximalen Sauerstoffabsorption heran oder davon weg abstimmen.

Technische Informationen: Aber sind sie nicht gefährlicher?

Dr. Kolmakow: Nun, dies ist ionisierende Strahlung, daher müssen geeignete Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden, z. B. eine ausreichende Abschirmung des Strahls vom Benutzer. Aber es ist eine Frage der Dosis, die nötig ist, um die Medien zu verändern. Die Fähigkeit des Elektronenstrahls, Wasser in Lösung zu ionisieren, ist sehr effektiv und erfordert keine großen Dosen – genau das verwenden wir als Vernetzungsmittel.

Technische Informationen: Sehen Sie, dass dies bald kommerziell genutzt wird?

Dr. Kolmakow: Das Interesse der Industrie an dieser Technologie wird von den Fähigkeiten abhängen, die wir demonstrieren können. Ich denke, die größte Herausforderung besteht jetzt, zum Beispiel beim 3D-Druck, darin, dass wir die Zuverlässigkeit der schichtweisen Delaminierung vom Substrat noch verbessern müssen. Sobald wir komplexe 3D-Strukturen im Submikrometerbereich zeigen, sollte sich die Industrie also für diese Technologie zum Drucken sehr kleiner Dinge interessieren. Daran arbeiten wir weiter.

Technische Informationen: Könnte dies mit handelsüblichen Energiequellen erfolgen?

Dr. Kolmakow: Exakt! Das war unser Ziel, das wollten wir der Gemeinschaft von Menschen zeigen, die mit Standard-Raster- oder Transmissionselektronenmikroskopen arbeiten, und es gibt Tausende von ihnen auf der ganzen Welt. Außerdem gibt es Leute, die Röntgenmikroskope besitzen (was eine neue Branche ist) – sie sind seit kurzem für Labore verfügbar. Alle Maschinen, die wir in unserem Labor verwenden, sind kommerziell. Wir haben gerade sehr einfache, maßgeschneiderte Setups hinzugefügt. Es ist also definitiv möglich, dies in großem Maßstab zu tun. Darüber hinaus gibt es neue Entwicklungen in der Mikroskopie selbst. Einige Unternehmen interessieren sich für die Herstellung von Elektronenmikroskopen, die in einer Umgebung wie Luft betrieben werden können. Das wäre dann noch einfacher, denn Sie würden Ihre Probe einfach unter dem Mikroskop an Luft halten.

Technische Informationen: Was begeistert Sie am meisten an diesem Projekt?

Dr. Kolmakov: Was mich am meisten begeistert, ist, dass dies eine brandneue Technologie ist und wir ganz am Anfang stehen. Mein Wunsch ist es, begeisterte Partner und genügend Ressourcen und Arbeitskräfte zu finden, um es voranzubringen.

Technische Informationen: Wären Sie in der Lage, mit einem kommerziellen Unternehmen zusammenzuarbeiten, um Ihre Techniken zu implementieren?

Dr. Kolmakow: Auf jeden Fall würde ich mich freuen. Unsere Mission bei NIST ist es, der Industrie bei der Entwicklung neuer Technologien oder Messtechnik zu helfen.

Technische Informationen: Mir scheint, dass viele Leute daran interessiert sein sollten.

Dr. Kolmakow: Richtig, Biologen, die mit der Druckergemeinschaft zusammenarbeiten, wären interessiert. Beispielsweise bauen Menschen mit der aktuellen 3D-Bioprinting-Technologie zentimetergroße Gelstrukturen für die Gewebezüchtung. Allerdings müssen auch sehr kleine Strukturen gedruckt werden, sagen wir mal auf Zellebene oder innen die Zelle, aber das ist noch Science-Fiction. Es gibt noch keinen Markt – es ist so ziemlich ein offener Raum. Wenn jemand eine marktfähige Idee für künstliche subzelluläre Gelstrukturen hat, wird das Interesse der Industrie größer. Es kann sein, dass wir zu früh sind.

Technische Informationen: Können Sie Märkte vorhersagen?

Dr. Kolmakow: Nun, eines der Dinge, von denen ich denke, dass sie interessant sein werden, ist die Verbindung unserer Technologie mit Computer-Gehirn-Schnittstellen. Da gibt es zwei große Herausforderungen. Einer entwickelt weiche Elektroden, die das Gehirngewebe nicht beschädigen, und der andere soll diese Elektroden in das Gehirn einbringen.

Technische Informationen: Ich habe gehört, wie Elon Musk darüber gesprochen hat.

Dr. Kolmakow: Ja. Das Problem ist, dass er eine ältere Technologie verwendet. Ihre Elektroden sind fest – nicht sehr flexibel – und nicht besonders gewebefreundlich. Zweitens müssen sie 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 umweltfreundlicher machen können. Außerdem 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 also eine viel bessere Perspektive für die Bildgebung der Gehirnaktivität als alles andere. Das ist wahrscheinlich die heißeste Anwendung, die ich mir vorstellen kann. Praktisch jeder, der in der Soft-Elektronik arbeitet, denkt jetzt an Gehirn-Computer-Schnittstellen. Zunächst für Menschen, die aus Verzweiflung einige Funktionen verloren haben, zum Beispiel die Mobilität. Aber schließlich – stellen Sie sich vor, Sie hätten ein zweites Gehirn in Ihrem Besitz.

Ich denke, es gibt jetzt eine sehr kleine Lücke zwischen Science-Fiction und der Realität … Dies ist ein riesiges Feld und was wir tun, ist nur ein sehr kleiner Beitrag. Die Menschen haben viel gelernt, indem sie angefangen haben, die Signale zu lesen, die das Gehirn erzeugt. Das Verständnis des Gehirns hat bereits die Art und Weise, wie wir Computer betreiben, verändert und zum Beginn einer neuen Technologie geführt:Neuromorphic Computing. Die Leute versuchen, Computer mit einer völlig anderen Architektur und Sprache und sogar Logik zu schaffen, um damit zu arbeiten, während sie immer noch die normalen Elemente, die üblichen Halbleiter, verwenden. Es wäre weniger digital und mehr auf Analog und Mustererkennung ausgerichtet und könnte andere, beispielsweise weiche Materialien anstelle von anorganischen Transistoren oder anderen Geräten wie Memristoren verwenden.

Eine bearbeitete Version dieses Interviews erschien in der Dezemberausgabe 2020 der Tech Briefs.