Onderzoekers van het Advanced Science Research Center van The Graduate Center, CUNY (CUNY ASRC) en Northwestern University hebben een 4D-printer ontwikkeld die in staat is om patronen met patronen te maken die de complexiteit van celoppervlakken nabootsen. De technologie, gedetailleerd in een nieuw gepubliceerd artikel in Natuurcommunicatie , stelt wetenschappers in staat om organische chemie te combineren, oppervlakte wetenschap, en nanolithografie om nauwkeurig ontworpen oppervlakken met nanopatronen te construeren die zijn versierd met delicate organische of biologische moleculen. De oppervlakken zullen een breed scala aan toepassingen hebben, onder meer in geneesmiddelenonderzoek, ontwikkeling van biosensoren, en geavanceerde optica. belangrijk, deze technologie kan oppervlakken creëren met verschillende materialen, en deze materialen kunnen over het oppervlak van een patroon worden voorzien zonder het gebruik van dure fotomaskers of vervelende cleanroomprocessen.

"Mij wordt vaak gevraagd of ik dit instrument heb gebruikt om een ​​specifieke chemische stof af te drukken of een bepaald systeem voor te bereiden, " zei de hoofdonderzoeker van de studie, Adam Braunschweig, een faculteitslid met het CUNY ASRC Nanoscience Initiative en The Graduate Center en Hunter College Chemistry Departments. "Mijn antwoord is dat we een nieuwe tool hebben gemaakt voor het uitvoeren van organische chemie op oppervlakken, en het gebruik en de toepassing ervan worden alleen beperkt door de verbeeldingskracht van de gebruiker en hun kennis van organische chemie."

De afdrukmethode, genaamd Polymer Brush Hypersurface Photolithography, combineert microfluïdica, organische fotochemie, en geavanceerde nanolithografie om een ​​maskervrije printer te creëren die in staat is multiplex-arrays van delicate organische en biologische materie te maken. Het nieuwe systeem overwint een aantal beperkingen die aanwezig zijn in andere biomateriaaldruktechnieken, waardoor onderzoekers 4D-objecten kunnen maken met nauwkeurig gestructureerde materie en op maat gemaakte chemische samenstelling bij elke voxel - een mogelijkheid die de auteurs "hypersurface lithography" noemen.

"Onderzoekers hebben gewerkt aan het gebruik van lithografische technieken om oppervlakken te modelleren met biomoleculen, maar tot op heden hebben we geen systeem ontwikkeld dat geavanceerd genoeg is om zoiets ingewikkelds als een celoppervlak te construeren, " zei Daniël Valles, een afstudeercentrum, CUNY-doctoraatsstudent in het laboratorium van Braunschweig. "We stellen ons voor dit systeem te gebruiken om synthetische cellen te assembleren waarmee onderzoekers de interacties die plaatsvinden op levende cellen kunnen repliceren en begrijpen, wat zal leiden tot de snelle ontwikkeling van medicijnen en andere bio-geïnspireerde technologieën."

Als proof-of-concept, de onderzoekers printten polymeerborstelpatronen met behulp van precieze doses licht om de polymeerhoogte bij elke pixel te regelen. Zoals geïllustreerd door de afbeelding van Lady Liberty, coördinatie tussen de microfluidics en de lichtbron regelen de chemische samenstelling op elke pixel.

"Polymeerchemie biedt zo'n krachtige set hulpmiddelen, en innovaties in de polymeerchemie zijn de afgelopen eeuw de belangrijkste drijvende krachten achter de technologie geweest, ", zei de medeauteur van de krant, Nathan Gianneschi, wie is de Jacob &Rosaline Cohn hoogleraar scheikunde, Materiaalwetenschap en techniek, en biomedische technologie aan de Northwestern University. "Dit werk breidt deze innovatie uit naar de interfaces waar willekeurige structuren op een zeer gecontroleerde manier kunnen worden gemaakt, en op een manier die ons in staat stelt te karakteriseren wat we hebben gemaakt en te generaliseren naar andere polymeren."

"Dit artikel is een krachtige demonstratie van wat er kan worden gedaan met massaal parallelle lithografietools, " zei Tsjaad Mirkin, George B. Rathmann, Professor in de chemie en de directeur van het International Institute for Nanotechnology aan het Weinberg College of Arts and Sciences van de Northwestern University, die geen co-auteur van de studie is. "De co-auteurs hebben een krachtige reeks mogelijkheden gecreëerd die in de hele chemie, materiaal wetenschap, en biologische gemeenschappen."

De onderzoekers zijn van plan door te gaan met de ontwikkeling van dit nieuwe printplatform om de systeemsnelheid te verhogen, verklein de pixelafmetingen, en nieuwe chemie te ontwikkelen voor het vergroten van de reikwijdte van materialen die van een patroon kunnen worden voorzien. Momenteel, ze gebruiken de patronen die door dit platform zijn gecreëerd om de subtiele interacties te begrijpen die herkenning in biologische systemen dicteren.