Preguntas y respuestas:un nuevo método para la impresión 3D de estructuras de gel diminutas

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

Dra. Andréi Kolmakov: Uno de los proyectos que estamos ejecutando es el uso de microscopía electrónica en entornos inusuales. Los microscopios electrónicos generalmente funcionan en el vacío. Hay muchos procesos, por ejemplo, en baterías, catálisis y en la industria de semiconductores, en los que desea observar objetos que se encuentran en entornos de gas o líquido a alta presión. Eso es difícil de hacer con un microscopio electrónico porque no penetra demasiado profundamente en materiales densos.

Resúmenes técnicos: ¿Qué te interesó en este proyecto?

Como parte de nuestra investigación, estábamos trabajando en técnicas para desarrollar capacidades de formación de imágenes de electrones para diferentes aplicaciones. Una vez, en una reunión de la Sociedad de Investigación de Materiales (MRS), noté una exhibición biorelacionada, donde una impresora de extrusión estaba imprimiendo hidrogeles mediante la extrusión de una pequeña cantidad de gel líquido, que se gelifica (solidifica) con la luz ultravioleta. Inmediatamente sentí que nuestro trabajo sobre microscopía electrónica en líquidos podría contribuir a la impresión de geles. Para nosotros no importa si estamos creando imágenes o haciendo algo en un líquido o en un precursor de gel líquido.

La semana siguiente, mi posdoctorado y yo hicimos una prueba para ver si era factible y, para nuestro asombro, fue fácil. Entonces, decidimos que estábamos en algo grande. Pasamos un año o más en diferentes tipos de pruebas, desarrollando estas técnicas y así fue como sucedió.

Fue un desafío porque no se sabe mucho sobre nuestro proceso. El estudio de la reticulación, la formación de moléculas más grandes a partir de líquidos, a partir de precursores más pequeños, utilizando electrones o rayos gamma o rayos X, proviene básicamente de la física de radiación de la década de 1960. Pero antes que nosotros, nadie estaba usando 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.

Resúmenes técnicos: ¿Cómo se crean normalmente los geles?

Dra. Kolmákov: Para las impresoras de gel comerciales, generalmente se hace con luz ultravioleta. Sin embargo, estas impresoras tienen una resolución muy baja en comparación con nosotros. Por lo general, tienen un tamaño de característica de milímetro, mientras que podemos ir al nivel de nanómetro, un millón de veces más pequeño.

La forma en que funciona una impresora 3D estándar es que tiene un líquido:plástico fundido o una solución precursora de gel líquido en el caso de las bioimpresoras, y debido a que es viscoso, el líquido puede extruirse lentamente a través de una boquilla. Puede pegar el líquido extruido de forma controlable moviendo la boquilla sobre una superficie. Luego, puede usar luz ultravioleta para curar, solidificar, la capa que hizo. Se deben incrustar en la solución productos químicos especiales, llamados iniciadores, para permitir este tipo de solidificación al ser irradiados con luz ultravioleta. Tienes que usar estos químicos porque el gel común no hace nada con la luz, es transparente.

En nuestro caso no usamos boquilla ni iniciadores. Podemos trabajar solo con el precursor líquido tal como está, porque el haz de electrones mismo hace la iniciación en el agua.

La solución de precursor de gel es una solución de agua de un conjunto de moléculas que están entrecruzadas, moléculas muy largas conectadas entre sí químicamente. Puedes llenarlo con agua y se hincha porque el agua llena los espacios entre las moléculas, o puedes secarlo y se encoge.

Un ejemplo de una aplicación típica de gel son las lentes de contacto. Sin embargo, existe la necesidad, especialmente en biología, de hacer estructuras más complejas. Por ejemplo, si quisiera crear órganos artificiales, digamos una oreja, podría hacer un andamio a partir del gel y poblarlo con células biológicas que se pegarán al gel y crecerán allí. Es por eso que la bioindustria está interesada en este tipo de técnicas.

Imagine ahora que quiere hacer algo realmente pequeño, básicamente al nivel de la propia célula biológica individual. O digamos que quiere hacer un contacto eléctrico con la celda, para enviar una señal de un lado a otro. Tienes que hacerlo suavemente, sin molestar demasiado a la célula porque una célula biológica es un organismo muy frágil. Podría intentar conectarlo con un cable, pero eso podría ser destructivo incluso si lo ha hecho con cuidado. En nuestro caso, somos capaces de producir geles tan pequeños que podemos hacer un contacto muy pequeño con una precisión extremadamente alta. Podemos hacer esto debido a la capacidad de los haces de electrones para enfocarse en áreas muy, muy pequeñas.

Y, otra cosa, los químicos iniciadores de los que hablé antes son a menudo tóxicos. Si desea imprimir algo realmente pequeño utilizando técnicas de impresión 3D de dos fotones de última generación, debe aumentar la concentración de los iniciadores, por lo que el gel se vuelve aún más tóxico para el material celular. En nuestro caso, podemos crear características extremadamente pequeñas sin usar iniciadores tóxicos.

Resúmenes técnicos: Déjame asegurarme de seguir el proceso básico. A mi modo de ver, imprimes en 3D con el gel:depositas el gel en un sustrato. ¿Es así?

Dra. Kolmákov: Permítanme describir el proceso con mayor detalle. Imagina que tienes un microscopio electrónico de barrido estándar. Es una cámara de vacío con un haz de electrones muy, muy fino en su interior. El haz puede ser tan pequeño como tres nanómetros. Si su muestra está dentro de la cámara de vacío, puede escanear el haz sobre la superficie y obtener una señal de él, y de eso, obtiene una imagen. O, si desea fabricar algo, podría poner, digamos, una capa de material (la gente usa esto para la industria de los semiconductores), coloca una película de fotorresistencia. Luego puede dibujar algo en esta resistencia, modificarlo químicamente con un haz de electrones en la película sólida y luego tratarlo con productos químicos especiales para eliminarlo. Luego 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 el vacío, se evaporan. El microscopio se contaminaría, y eso es muy costoso.

Para manejar este desafío, usamos una membrana muy delgada, en el rango de 10 nanómetros. Está hecho de nitruro de silicio, que es un material semiconductor estándar. La membrana es tan delgada que los electrones pueden penetrarla con solo una pequeña cantidad de dispersión o atenuación, pero los gases y los líquidos no pueden. Usamos este truco para enviar el rayo al líquido. Lo hicimos creando una pequeña cámara secundaria con una ventana de nitruro de silicio y llenándola con un precursor líquido para la formación del gel. Luego irradiamos el líquido con mucha precisión con electrones, creando ciertos patrones. En las áreas donde incide el haz de electrones, el líquido se modifica químicamente y se forma un gel.

Esa fue nuestra idea principal:crear la capa blanda de esta manera. Luego puedes delaminarlo porque se forma muy, muy cerca de la membrana. Después de eso, empiezas a hacer crecer la segunda capa, la deslaminas, empiezas a hacer crecer la tercera capa, y así sucesivamente. Este era nuestro objetivo:usar un haz de electrones para crear una estructura de gel capa por capa dentro del líquido.

Resúmenes técnicos: Entonces, ¿los geles se depositan en ciertos patrones?

Dra. Kolmákov: Sí, hasta ahora no hemos creado estructuras extremadamente complejas. Pero hemos demostrado los tipos de estructuras simples que son posibles. Es importante destacar que también hemos demostrado la forma en que se puede realizar la deslaminación. Cuando realiza una impresión 3D, la delaminación de la primera capa de la membrana se convierte en un problema porque se pega. Entonces, debe crear un procedimiento para delaminarlo, para poder escribir una segunda capa encima de la primera.

Resúmenes técnicos: ¿Es el gel una estructura básica sobre la que podrías poner una célula biológica o algún tipo de sensores?

Dra. Kolmákov: Sí, con los geles se pueden hacer muchas cosas. Por ejemplo, los geles conductores se pueden usar como contactos eléctricos. O como son transparentes, pueden usarse para hacer fibras ópticas. Además, algunos geles podrían hacerse reactivos a ciertos estímulos. Por ejemplo, pueden hacerse sensibles a la temperatura o al pH. Puedes crear muchas funcionalidades modificando las moléculas de los geles. De esta forma, puedes construir objetos funcionales como nanonadadores o microrobots blandos.

Resúmenes técnicos: ¿El haz de electrones hace todas estas modificaciones?

Dra. Kolmákov: No, hasta ahora, el haz de electrones en sí solo crea una forma.

Resúmenes técnicos: Entonces, ¿cómo haces todas las demás cosas?

Dra. Kolmákov: Introduces las funcionalidades al propio gel. Por ejemplo, queríamos detectar la humedad y queríamos que el sensor fuera muy, muy pequeño. Agregamos nanopartículas de oro a la solución y, durante el proceso de escritura, encapsulamos las partículas dentro de la estructura del gel.

Resúmenes técnicos: Entonces, estás diciendo que pusiste las partículas en la mezcla y luego usaste el haz de electrones para hacer la estructura.

Dra. Kolmákov: Sí, las partículas ahora quedan encapsuladas dentro del gel. El tamaño del material del gel es muy sensible a la humedad. Digamos que se encoge si está seco afuera y se hincha cuando está mojado o húmedo. Luego, la distancia entre las partículas incrustadas cambia debido a las variaciones de humedad. A continuación, puede determinar la humedad controlando el color del gel compuesto. La técnica que utilizamos se llama excitación plasmónica. Puede observar el espectro óptico del material y determinar la distancia entre las partículas. Entonces, esta es una forma simple de monitorear la humedad. Pero hay muchas otras cosas que puedes hacer. Por ejemplo, puede cambiar la propia molécula de gel para que responda al pH. Luego puedes hacer algo como un robot que se mueve cuando cambia la acidez. Un robot nanonadador insertado en ciertas áreas del cuerpo podría moverse cuando cambia el pH de la solución. La ventaja es que, a diferencia de otras tecnologías que se utilizan actualmente para estos fines, podemos hacer que la estructura sea extremadamente pequeña; de hecho, podemos hacerla más pequeña que la propia célula.

Resúmenes técnicos: ¿Se pueden usar rayos X en lugar de haces de electrones?

Dra. Kolmákov: En gran medida, no importa qué tipo de radiación ionizante estemos usando. El beneficio tanto de los haces de electrones como de los rayos X es que puede enfocarlos en un punto muy, muy pequeño; puede usar cualquiera de ellos para escribir estructuras muy pequeñas. Sin embargo, los rayos X tienen sus propias ventajas. Puedes cambiar la energía del haz cambiando su longitud de onda. Dado que cada elemento químico absorbe rayos X en longitudes de onda muy específicas, puede agregar especificidad química al proceso de escritura. Por ejemplo, puede escribir geles que contienen oxígeno más superficiales o más profundos si ajusta la longitud de onda de los rayos X más cerca o lejos del punto de máxima absorción de oxígeno.

Resúmenes técnicos: ¿Pero no son más peligrosos?

Dra. Kolmákov: Bueno, se trata de radiación ionizante, por lo que se deben tomar las medidas de seguridad adecuadas, como proteger suficientemente el haz del usuario. Pero es una cuestión de la dosis necesaria para modificar los medios. La capacidad del haz de electrones para ionizar el agua en solución es muy eficaz y no requiere grandes dosis; esto es exactamente lo que estamos usando como agente de reticulación.

Resúmenes técnicos: ¿Crees que esto se usará comercialmente en el corto plazo?

Dra. Kolmákov: El interés de la industria por esta tecnología dependerá de las capacidades que podamos demostrar. Creo que el mayor desafío ahora, por ejemplo en la impresión 3D, es que aún necesitamos mejorar la confiabilidad de la deslaminación capa por capa del sustrato. Así que, tan pronto como mostremos estructuras submicrónicas complejas en 3D, la industria debería estar interesada en esta tecnología para imprimir cosas muy pequeñas. Seguimos trabajando en esto.

Resúmenes técnicos: ¿Podría hacerse esto con fuentes de energía disponibles comercialmente?

Dra. Kolmákov: ¡Exactamente! Ese era nuestro objetivo, queríamos demostrárselo a la comunidad de personas que trabajan con microscopios electrónicos estándar de barrido o de transmisión, y hay miles de ellos en todo el mundo. Además, hay personas que poseen microscopios de rayos X (que es una industria nueva); recientemente se han puesto a disposición de los laboratorios. Todas las máquinas que utilizamos en nuestro laboratorio son comerciales. Acabamos de agregar configuraciones personalizadas muy simples. Entonces, definitivamente es posible hacer esto a gran escala. Más aún, hay nuevos desarrollos en la propia microscopía. Algunas empresas se han interesado en producir microscopios electrónicos que sean capaces de operar en un entorno ambiental, como en el aire. Eso sería aún más fácil, entonces, porque simplemente colocaría su muestra en el aire bajo el microscopio.

Resúmenes técnicos: ¿Qué es lo que más te emociona de este proyecto?

Dra. Kolmákov: Lo que más me emociona es que se trata de una tecnología completamente nueva y estamos en sus comienzos. Mi deseo es encontrar socios entusiastas y suficientes recursos y mano de obra para hacerlo avanzar.

Resúmenes técnicos: ¿Sería capaz de trabajar con una empresa comercial para implementar sus técnicas?

Dra. Kolmákov: Definitivamente, estaría encantado de hacerlo. Nuestra misión en NIST es ayudar a la industria a desarrollar nuevas tecnologías o metrología.

Resúmenes técnicos: Me parece que mucha gente debería estar interesada en esto.

Dra. Kolmákov: Correcto, los biólogos que trabajan con la comunidad de imprenta estarían interesados. Por ejemplo, utilizando la tecnología de bioimpresión 3D actual, las personas están construyendo estructuras de gel de tamaño centimétrico para la ingeniería de tejidos. Sin embargo, también existe la necesidad de imprimir estructuras muy pequeñas, digamos al nivel de la celda, o dentro la celda, pero eso no deja de ser ciencia ficción. Todavía no hay mercado, es más o menos un espacio abierto. Si a alguien se le ocurre una idea comercializable para estructuras de gel subcelulares artificiales, la industria se interesará más. Puede ser que lleguemos demasiado pronto.

Resúmenes técnicos: ¿Puede predecir algún mercado?

Dra. Kolmákov: Bueno, una de las cosas que creo que será interesante es vincular nuestra tecnología a la interfaz computadora-cerebro. Hay dos grandes desafíos allí. Uno está desarrollando electrodos blandos que no dañarán el tejido cerebral y el otro está colocando estos electrodos en el cerebro.

Resúmenes técnicos: Escuché a Elon Musk hablar de eso.

Dra. Kolmákov: Sí. El problema es que está usando una tecnología más antigua. Sus electrodos son sólidos, no muy flexibles, y no son extremadamente amigables con el tejido. Lo segundo es que tienen que hacer una operación en el cráneo para implantar los electrodos. Lo que veo con nuestro tipo de método es que podemos hacer que los electrodos sean mucho más delgados, mucho más flexibles y mucho más ecológicos. Además, nuestros electrodos pueden transmitir señales electrónicas e iónicas y son ópticamente transparentes, por lo que pueden transmitir señales ópticas de un lado a otro. Entonces, en mi opinión, esta es una perspectiva mucho mejor para las imágenes de la actividad cerebral que cualquier otra cosa. Esa es probablemente la mejor aplicación que puedo imaginar. Prácticamente todos los que trabajan en electrónica blanda ahora tienen en cuenta la interfaz cerebro-computadora. En un principio, será para personas que han perdido alguna funcionalidad, por ejemplo la movilidad, porque están desesperadas. Pero eventualmente, imagina que tienes un segundo cerebro en tu poder.

Hay una brecha muy pequeña, creo, entre la ciencia ficción y la realidad ahora... Este es un campo enorme y lo que estamos haciendo es solo una contribución muy pequeña. La gente ha aprendido mucho al empezar a leer las señales que genera el cerebro. Comprender el cerebro ya cambió la forma en que hacemos computación y condujo al comienzo de una nueva tecnología:la computación neuromórfica. La gente está tratando de crear computadoras con una arquitectura y un lenguaje completamente diferentes, e incluso una lógica, para trabajar con ellos, mientras siguen usando los elementos normales, los semiconductores habituales. Sería menos digital y más analógico y de reconocimiento de patrones, y podría usar diferentes materiales blandos, por ejemplo, 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.