Универсальный нанопринтер печатает картины днк-чернилами
Манипулировать элементами электронных схем, выкладывать в нужном порядке живые клетки либо выращивать подробности микромеханических устройств – соблазнительные задачи для нанопринтера. Но до нынешнего момента камнями преткновения аналогичных разработок были необходимость и разрешение одинаково легко управляться со столь различными «чернилами».
Биотехнологическая ипостась струйной печати – одно из самых перспективных направлений развития техники. Неспециализированная мысль: печать клетками вместо чернильных капель, разрешающая выкладывать из них слой за слоем кусочки живых тканей, а в конечном счёте – и целые органы.
Ранние испытания по струйной печати клетками продемонстрировали, что способ трудится, но способность принтера и предельное разрешение к узкой манипуляции с биологическим материалом – оставляли хотеть. И ясно из-за чего: в качестве базы для первых струйных биологических принтеров брались принтеры простые.
Сложное изображение (портрет Аполлона), напечатанное комбинацией хороших и отрицательных заряженных «наночернил». a – оптическая микрофотография, b – скетч статуи с разметкой полос, c – трёхмерный снимок участка, отмеченного на рисунке a красным со шкалой зарядов, d – снимок сканирующего электронного микроскопа, показывающий распределение заряженных частиц (фото и иллюстрации Jang-Ung Park et al./Nano Letters).
Потом разработка развивалась, и однако добраться до печати отдельными клетками не получалось. Не напрасно кроме того самый свежий биопринтер применяет в качестве капелек чернил конгломераты из тысяч и сотен клеток (это, но, всё равняется даёт прекрасные результаты).
Отечественные новые храбрецы придумали, как вправду рисовать чуть ли не единичными клетками, и более того — скоплениями ДНК. Вернее, они создали метод универсальной нанопечати, могущей трудиться практически с любым исходным материалом – живым и нет, проводящим и изолирующим.
Столь броское достижение показали пару дней назад Джон Роджерс (John Rogers), знакомый нам по бионическому глазу и нанотрубочному транзистору, совместно со собственными сотрудниками из университета Иллинойса, национальной лаборатории Аргонн (Argonne National Laboratory) и корейского университета Ханяна (Hanyang University).
Их разработка именуется электрогидродинамический струйный принтер (e-jet printer). В первом собственном варианте он показался ещё в 2007 году (о чём экспериментаторы отчитывались в статье в Nature Materials). Потому вначале стоит разобраться с базисными правилами его работы.
Вместо того дабы пробовать ещё посильнее уменьшить диаметр сопла для краски, физики решили уменьшать поперечник конкретно струи. А для этого выбрали необыкновенный способ формирования потока материала. Они приложили напряжение между бумагой и наконечником «принтера».
Электрический потенциал между широким (слева) и узким (справа) подложкой и наконечником принтера (она расположена внизу). И в том и другом случае «бумага» заземлена, а к наконечникам приложено однообразное напряжение (иллюстрация Jang-Ung Park et al./Nature Materials).
Сильное электрическое поле позвало в жидком составе перераспределение зарядов, «краска» организовала на финише сопла мениск, что растянулся конусом в сторону подложки. Конус данный со своей стороны обратился весьма узкой струйкой вещества, которая и оставила на поверхности маленький след.
Эксперты из америки и Республики Корея продемонстрировали, что разработка e-jet (на рисунке продемонстрирован неспециализированный её принцип) пригодна для печати проводящими и изолирующими полимерами, кремниевыми наночастицами и стержнями, углеродными нанотрубками и без того потом (иллюстрация Jang-Ung Park et al./Nano Letters).
Так было достигнуто разрешение меньше микрометра, а основное – в роли чернил сейчас имели возможность выступать самые разные материалы, взвешенные в воде либо другой жидкости.
Действительно, обнаружилась и неприятность: любая капля таковой краски уносила к «бумаге» заряд, в следствии чего заряжалось конечное изделие, равно как формировался дисбаланс зарядов в «краске».
Сейчас учёные нашли выход из положения. Они продемонстрировали, что управляющий принтером компьютер может на лету мгновенно поменять полярность напряжения между чернилами и основой. И этим достигаются сходу два результата.
Во-первых, неспециализированный заряд компенсируется. А во-вторых, появляется возможность с высокой точностью наносить на «бумагу» картинки с чередованием по-различному заряженных точек и линий. В случае если после этого на такую поверхность нанести взвеси заряженных частиц, они сами соберутся в предопределённом порядке.
А это практически готовая разработка монтажа разных схем с нанометровыми элементами. Совершенно верно так же, как этот принцип разрешит манипулировать клетками, уверен Роджерс.
Витрувианский человек – уникальный рисунок великого Леонардо да Винчи и его миниатюрная копия, созданная сравнительно не так давно при помощи e-jet (отмечено распределение хороших и отрицательных зарядов). В роли краски в этом случае выступал полиуретан, но авторы разработки очень подчёркивают широчайший перечень материалов, пригодных для для того чтобы «рисования» (фото wikipedia.org, Jang-Ung Park et al./Nano Letters).
В новых опытах в качестве краски учёные попеременно применяли полимеры, суспензии наночастиц серебра и нанопроводки, а также растворы ДНК. Из них экспериментаторы составляли линии и точки, формирующие разные картины. Небольшие подробности таких изображений варьировались в поперечнике от нескольких микрометров до 100 нанометров (подробности же изучения изложены в статье в Nano Letters).
Помимо этого, авторы совокупности продемонстрировали на опыте, что смогут настраивать свойства транзисторов на кремниевой мембране, рисуя на ней картины из хороших и отрицательных зарядов. К тому же они установили, что размер точек изображения возможно поменять, корректируя давление воздуха и электрический потенциал в совокупности.
Учёные отмечают, что мысль e-jet напоминает принцип электрографических копировальных аппаратов (ксероксов). Но последние не смогут похвастать таким разрешением (техника e-jet практически готова двинуться в нанометровый диапазон), к тому же ксерокопировальная разработка накладывает ограничения на бумаги и материал тонера, тогда как e-jet лоялен и к первому, и ко второму — в их роли может выступать практически что угодно.
Портрет, напечатанный новым методом ещё недавно. В роли чернил – взвесь однослойных углеродных нанотрубок с комплектом добавок, облегчающих соединение с подложкой.
Диаметр отдельных точек изображения – 2 микрометра (иллюстрация Jang-Ung направляться et al./Nature Materials).
«Это открытие возможно нужным для непрямой (просматривай – бережной) манипуляции клетками», — радуется достижению Владимир Миронов из медуниверситета Южной Каролины, в данной работе участие не принимавший.
Владимир знает, о чём говорит, – он несколько год занимается похожими опытами, в частности нам он известен по проекту выращивания неестественного мяса, и изучениям в области всё тех же струйных биопринтеров.
Хорошую оценку испытания Роджерса со товарищи взяли и от доктора наук Хейко Джейкобса (Heiko Jacobs) из университета Миннесоты, что сам трудится в области фабрикации микро- и наноразмерных устройств: «Посредством этого способа возможно в различных областях создавать слои зарядов с хорошим пространственным разрешением, а после этого изучать, как эти заряды воздействуют на внешнюю среду. Способ возможно применён к чему угодно – от культур клеток до интегральных схем».
