Impresión 3D pionera con haz de electrones de microgeles en entornos líquidos

El Dr. Andrei Kolmakov y un equipo de investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han desarrollado un método para impresión 3D de diminutas estructuras de gel en líquidos con haces de electrones —un método que previamente se limitaba a sólidos.

Entrevista con el Dr. Kolmakov

Tech Briefs: ¿Qué le interesó en este proyecto?

Dr. Andrei Kolmakov: Parte de nuestra investigación era desarrollar capacidades de imagen electrónica para diferentes aplicaciones. En una reunión de la Materials Research Society (MRS) vi un expositor bio-relacionado donde una impresora de extrusión imprimía hidrogeles extruyendo una pequeña cantidad de gel líquido, que se gelificaba —solidificaba— con luz UV. Inmediatamente sentí que nuestro trabajo en microscopía electrónica en líquidos podría contribuir a imprimir geles. Para nosotros no importa si estamos imagenando o haciendo algo en un líquido o en un precursor de gel líquido.

La semana siguiente, mi postdoc y yo hicimos una prueba para ver si era factible, y para nuestra sorpresa, fue fácil. Decidimos que estábamos ante algo grande. Pasamos un año o más en diferentes pruebas, desarrollando estas técnicas y así sucedió.

Fue desafiante porque no se sabe mucho sobre nuestro proceso. El estudio de entrecruzamiento, formación de moléculas mayores a partir de líquidos, de precursores menores, usando electrones, rayos gamma o rayos X viene básicamente de la física de radiación de los años 60. Pero antes que nosotros, nadie usaba haces de electrones de baja energía altamente enfocados para este tipo de procesos. Decidimos que esto podría abrir una nueva puerta en síntesis, litografía o incluso impresión 3D.

Tech Briefs: ¿Cómo se crean normalmente los geles?

Dr. Kolmakov: En impresoras de gel comerciales, se suele hacer con luz UV. Sin embargo, estas impresoras tienen resolución muy baja comparada con nosotros. Típicamente tamaño de característica milimétrico, mientras que nosotros podemos llegar a nivel nanométrico —un millón de veces más pequeño.

Una impresora 3D estándar funciona con un líquido: plástico fundido o solución precursora de gel líquido en bioimpresoras, y como es viscoso, el líquido puede extruirse lentamente por una boquilla. Se puede depositar el líquido extruido de forma controlada moviendo la boquilla sobre una superficie. Luego, se usa luz UV para curar —solidificar— la capa hecha. Químicos especiales, llamados iniciadores, deben incrustarse en la solución para permitir solidificación al irradiar con UV. Hay que usar estos químicos porque el gel usual no hace nada con la luz, es transparente.

En nuestro caso no usamos ni boquilla ni iniciadores. Podemos trabajar solo con el precursor líquido tal cual, porque el haz de electrones mismo inicia el entrecruzamiento en el agua.

La solución precursora de gel es una solución acuosa de un conjunto de moléculas entrecruzadas —moléculas muy largas conectadas químicamente. Puede llenarse con agua, e hincha porque el agua llena espacios entre moléculas, o secarse y encoge.

Un ejemplo típico de aplicación de gel son lentes de contacto. Sin embargo, existe necesidad, especialmente en biología, de hacer estructuras más complejas. Por ejemplo, si quisiera crear órganos artificiales, digamos una oreja, podría hacer un andamio del gel y poblarlo con células biológicas que se adhieran al gel y crezcan ahí. Por eso la industria bio está interesada en estas técnicas.

Imagine ahora que quiere hacer algo realmente pequeño, básicamente a nivel de célula biológica individual. O digamos que quiere hacer un contacto eléctrico a la célula, para enviar señales de ida y vuelta. Tiene que hacerlo suavemente, sin perturbar demasiado la célula porque es un organismo muy frágil. Podría intentar conectarla con un alambre, pero eso podría ser destructivo incluso si lo hace suavemente. En nuestro caso, podemos producir geles tan pequeños que podemos hacer un contacto muy pequeño con precisión extremadamente alta. Podemos hacer esto gracias a la capacidad de los haces de electrones para enfocarse en áreas muy, muy pequeñas.

Otra cosa: los químicos iniciadores de antes son a menudo tóxicos. Si quiere imprimir algo realmente pequeño usando técnicas de impresión 3D de dos fotones de vanguardia, tiene que aumentar la concentración de iniciadores, haciendo el gel aún más tóxico para material celular. En nuestro caso, podemos hacer características extremadamente pequeñas sin usar iniciadores tóxicos.

Tech Briefs: ¿El proceso básico es depositar el gel sobre un sustrato?

Dr. Kolmakov: Déjeme describir el proceso en detalle. Imagine un microscopio electrónico de barrido estándar. Es una cámara de vacío con un haz de electrones muy, muy fino dentro. El haz puede ser tan pequeño como tres nanómetros. Si su muestra está dentro de la cámara de vacío, puede barrer el haz sobre la superficie y obtener señal, y de eso obtiene una imagen. O, si quiere fabricar algo, podría poner una capa de material —la gente usa esto en industria de semiconductores— deposita una película de fotorresistente. Puede dibujar algo en este resistente, modificarlo químicamente con haz de electrones en la película sólida y tratarlo después con químicos especiales para eliminación. Entonces obtendrá un patrón en la superficie de la muestra. Esos son procedimientos estándar de microscopía electrónica y litografía electrónica.

Eso está bien con películas u objetos sólidos, pero queremos hacer algo así en líquidos. El problema es que los líquidos no duran en vacío, se evaporan. El microscopio se contaminaría —y eso es muy caro.

Para manejar este desafío, usamos una membrana muy fina, en rango de 10 nanómetros. Está hecha de nitruro de silicio, material semiconductor estándar. La membrana es tan fina que los electrones la penetran con solo pequeña dispersión o atenuación, pero gases y líquidos no pueden. Usamos este truco para entregar el haz al líquido. Lo hicimos creando una pequeña cámara secundaria con ventana de nitruro de silicio y llenándola con precursor líquido para formación de gel. Luego irradiamos el líquido muy precisamente con electrones, creando ciertos patrones. En áreas donde el haz de electrones golpea, el líquido se modifica químicamente y se forma gel.

Esa fue nuestra idea principal: crear la capa blanda de esta manera. Luego puede deslaminarse porque se forma muy, muy cerca de la membrana. Después, empieza a crecer la segunda capa, deslaminar esa, empezar tercera capa, y así sucesivamente. Este fue nuestro objetivo: usar haz de electrones para crear estructura de gel capa por capa dentro del líquido.

Tech Briefs: ¿Los geles se depositan en ciertos patrones?

Dr. Kolmakov: Sí, no hemos creado estructuras extremadamente complejas aún. Pero hemos demostrado los tipos de estructuras simples posibles. Importantemente, también demostramos cómo podría hacerse la deslaminación. Cuando haces impresión 3D, la deslaminación de la primera capa de la membrana se vuelve un problema porque se pega. Así que tienes que crear un procedimiento para deslaminar, para poder escribir una segunda capa sobre la primera.

Tech Briefs: ¿El gel es una estructura base sobre la que se podría poner una célula biológica o sensores?

Dr. Kolmakov: Sí, con los geles se pueden hacer muchas cosas. Por ejemplo, geles conductores pueden usarse como contactos eléctricos. O, al ser transparentes, pueden usarse para hacer fibras ópticas. También, algunos geles podrían hacerse reactivos a ciertos estímulos. Por ejemplo, sensibles a temperatura o pH. Se pueden crear muchas funcionalidades modificando las moléculas de los geles. Así, se pueden construir objetos funcionales como nanoswimmers o micro-robots blandos.

Tech Briefs: ¿El haz de electrones hace todas esas modificaciones?

Dr. Kolmakov: No, hasta ahora el haz de electrones solo hace la forma.

Tech Briefs: ¿Cómo se hacen las otras cosas?

Dr. Kolmakov: Introduce las funcionalidades al propio gel. Por ejemplo, queríamos detectar humedad y hacer el sensor muy, muy pequeño. Añadimos nanopartículas de oro en la solución y durante el proceso de escritura, encapsulamos las partículas dentro de la estructura de gel.

Tech Briefs: Así que pone las partículas en la mezcla y luego usa el haz de electrones para hacer la estructura.

Dr. Kolmakov: Sí, las partículas quedan encapsuladas dentro del gel. El tamaño del material de gel es muy sensible a la humedad. Digamos que se encoge si está seco fuera e hincha cuando está húmedo. Entonces, la distancia entre partículas incrustadas cambia por variaciones de humedad. Puede determinar la humedad monitorizando el color del gel compuesto. La técnica se llama excitación plasmónica. Puede ver el espectro óptico del material y determinar la distancia entre partículas. Esta es forma simple de monitorizar humedad. Pero hay muchas otras cosas. Por ejemplo, puede cambiar la molécula de gel para que responda a pH. Entonces puede hacer algo como un robot que se mueve cuando cambia la acidez. Un nanonadador insertado en ciertas áreas del cuerpo podría moverse cuando el pH de la solución cambia. La ventaja es que, diferente de otras tecnologías usadas para estos propósitos, podemos hacer la estructura extremadamente pequeña —podemos hacerla más pequeña que la propia célula.

Tech Briefs: ¿Se pueden usar rayos X en lugar de haces de electrones?

Dr. Kolmakov: En gran medida, no importa qué tipo de radiación ionizante usemos. El beneficio de ambos es que pueden enfocarse en un punto muy, muy pequeño —puede usar cualquiera para escribir estructuras muy pequeñas. Sin embargo, los rayos X tienen sus propias ventajas. Puede cambiar la energía del haz cambiando su longitud de onda. Como cada elemento químico absorbe rayos X en longitudes de onda muy específicas, puede añadir especificidad química al proceso de escritura. Por ejemplo, puede escribir geles que contienen oxígeno más superficial o profundo si ajusta la longitud de onda de los rayos X cerca o lejos del punto de máxima absorción de oxígeno.

Tech Briefs: ¿Pero no son más peligrosos?

Dr. Kolmakov: Bueno, es radiación ionizante, así que deben tomarse medidas de seguridad apropiadas, como blindar suficientemente el haz del usuario. Pero es cuestión de la dosis necesaria para modificar el medio. La capacidad del haz de electrones para ionizar agua en solución es muy efectiva y no requiere grandes dosis —esto es exactamente lo que usamos como agente de entrecruzamiento.

Tech Briefs: ¿Ve esto usándose comercialmente pronto?

Dr. Kolmakov: El interés de la industria dependerá de las capacidades que demostremos. Creo que el reto mayor ahora, por ejemplo en impresión 3D, es que aún necesitamos mejorar la fiabilidad de la deslaminación capa por capa del sustrato. Así que, tan pronto como mostremos estructuras 3D complejas submicrónicas, la industria debería interesarse en esta tecnología para imprimir cosas muy pequeñas. Continuamos trabajando en ello.

Tech Briefs: ¿Podría hacerse con fuentes de energía disponibles comercialmente?

Dr. Kolmakov: ¡Exacto! Ese era nuestro objetivo, queríamos demostrar esto a la comunidad de gente que trabaja con microscopios electrónicos de barrido o transmisión estándar, y hay miles en todo el mundo. También hay gente con microscopios de rayos X (industria nueva) —se han vuelto disponibles para laboratorios recientemente. Todas las máquinas que usamos en nuestro laboratorio son comerciales. Solo añadimos configuraciones personalizadas muy simples. Así que definitivamente es posible hacerlo a gran escala. Incluso más, hay nuevos desarrollos en la propia microscopía. Algunas empresas se han interesado en producir microscopios electrónicos capaces de operar en ambiente ambiente, como en aire. Eso sería aún más fácil, porque solo pondría su muestra en aire bajo el microscopio.

Tech Briefs: ¿Qué le emociona más de este proyecto?

Dr. Kolmakov: Lo que más me emociona es que esta es una tecnología completamente nueva y estamos en sus inicios. Mi deseo es encontrar socios entusiastas y suficientes recursos y personal para moverlo adelante.

Tech Briefs: ¿Podría trabajar con una empresa comercial para implementar sus técnicas?

Dr. Kolmakov: Definitivamente, me encantaría. Nuestra misión en NIST es ayudar a la industria a desarrollar nueva tecnología o metrología.

Tech Briefs: Parece que mucha gente debería estar interesada.

Dr. Kolmakov: Correcto, biólogos trabajando con la comunidad de impresión estarían interesados. Por ejemplo, usando tecnología actual de bioimpresión 3D, la gente construye estructuras de gel de tamaño centimétrico para ingeniería de tejidos. Sin embargo, también hay necesidad de imprimir estructuras muy pequeñas, digamos a nivel de célula, o dentro de la célula, pero eso sigue siendo ciencia ficción. No hay mercado aún —es espacio bastante abierto. Si alguien tiene una idea comercializable para estructuras de gel subcelulares artificiales, la industria se interesará más. Puede que seamos demasiado tempranos.

Tech Briefs: ¿Puede predecir algún mercado?

Dr. Kolmakov: Una cosa que creo interesante es vincular nuestra tecnología a interfaces cerebro-computadora. Hay dos retos mayores: desarrollar electrodos blandos que no dañen tejido cerebral y entregarlos al cerebro.

Tech Briefs: Oí a Elon Musk hablar de eso.

Dr. Kolmakov: Sí. El problema es que usa tecnología antigua. Sus electrodos son sólidos —no muy flexibles— y no son extremadamente amigables con el tejido. Segundo, tienen que operar el cráneo para implantar electrodos. Lo que veo con nuestro método es que podemos hacer electrodos mucho más finos, flexibles y biocompatibles. Además, nuestros electrodos pueden transmitir señales electrónicas e iónicas, y son ópticamente transparentes, así que pueden transmitir señales ópticas de ida y vuelta. En mi opinión, esta es una perspectiva mucho mejor para imagenado de actividad cerebral que cualquier otra. Probablemente sea la aplicación más caliente que imagino. Prácticamente todos en electrónica blanda ahora tienen en mente interfaz cerebro-computadora. Inicialmente, será para gente que ha perdido función, p.ej., movilidad, porque están desesperados. Pero eventualmente —imagine que tiene un segundo cerebro a su disposición.

Hay un hueco muy pequeño, creo, entre ciencia ficción y realidad ahora… Este es un campo enorme y lo que hacemos es solo una contribución muy pequeña. La gente ha aprendido mucho empezando a leer señales que generan los cerebros. Entender el cerebro ya cambió la forma en que hacemos computación y llevó al inicio de nueva tecnología: computación neuromórfica. La gente intenta crear computadoras con arquitectura, lenguaje e incluso lógica completamente diferentes, para trabajar con, mientras aún usan elementos normales, semiconductores usuales. Sería menos digital y más analógico y reconocimiento de patrones y podría usar materiales blandos en lugar de transistores inorgánicos u otros dispositivos como memristores.

Una versión editada de esta entrevista apareció en la edición de diciembre de 2020 de Tech Briefs.