Questions et réponses :Une nouvelle méthode d'impression 3D de minuscules structures en gel

Le Dr Andrei Kolmakov et une équipe de chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont mis au point une méthode d'impression 3D de minuscules structures de gel dans des liquides avec des faisceaux d'électrons - une méthode qui était auparavant limitée aux solides.

Dr. Andreï Kolmakov : L'un des projets que nous menons consiste à utiliser la microscopie électronique dans des environnements inhabituels. Les microscopes électroniques fonctionnent généralement dans le vide. Il existe de nombreux processus, par exemple dans les batteries, la catalyse et dans l'industrie des semi-conducteurs, où vous souhaitez examiner des objets qui se trouvent dans des environnements gazeux ou liquides à haute pression. C'est difficile à faire avec un microscope électronique car il ne pénètre pas trop profondément dans les matériaux denses.

Fiches techniques : Qu'est-ce qui vous a intéressé dans ce projet ?

Dans le cadre de nos recherches, nous travaillions sur des techniques pour développer des capacités d'imagerie électronique pour différentes applications. Une fois, lors d'une réunion de la Materials Research Society (MRS), j'ai remarqué une exposition bio-liée, où une imprimante à extrusion imprimait des hydrogels en extrudant une petite quantité de gel liquide, qui se gélifie - se solidifie - par la lumière UV. J'ai tout de suite senti que nos travaux sur la microscopie électronique dans les liquides pouvaient contribuer à l'impression de gels. Pour nous, peu importe si nous imaginons ou faisons quelque chose dans un liquide ou dans un précurseur de gel liquide.

La semaine suivante, mon post-doctorant et moi avons fait un test pour voir si c'était faisable, et à notre grand étonnement, c'était facile. Donc, nous avons décidé que nous étions sur quelque chose de grand. Nous avons passé un an ou plus sur différents types de tests, en développant ces techniques et c'est comme ça que ça s'est passé.

C'était difficile parce que nous ne savons pas grand-chose de notre processus. L'étude de la réticulation, la formation de molécules plus grosses à partir de liquides, à partir de précurseurs plus petits, à l'aide d'électrons ou de rayons gamma ou de rayons X, provient essentiellement de la physique des rayonnements des années 1960. Mais avant nous, personne n'utilisait des faisceaux d'électrons à faible énergie hautement focalisés pour ce genre de processus. Nous avons décidé que cela pourrait ouvrir une nouvelle porte dans la synthèse, la lithographie ou même l'impression 3D.

Fiches techniques : Comment les gels sont-ils généralement créés ?

Dr Kolmakov : Pour les imprimantes à gel commerciales, cela se fait généralement avec de la lumière UV. Cependant, ces imprimantes ont une résolution très faible par rapport à nous. Ils ont généralement une taille de caractéristique millimétrique, alors que nous pouvons aller au niveau du nanomètre - un million de fois plus petit.

La façon dont une imprimante 3D standard fonctionne, c'est que vous avez un liquide :du plastique fondu ou une solution de précurseur de gel liquide dans le cas des bio-imprimantes, et parce qu'il est visqueux, le liquide peut être extrudé lentement à travers une buse. Vous pouvez coller le liquide extrudé de manière contrôlable en déplaçant la buse sur une surface. Ensuite, vous pouvez utiliser la lumière UV pour durcir - solidifier - la couche que vous avez créée. Des produits chimiques spéciaux, appelés initiateurs, doivent être incorporés dans la solution pour permettre ce type de solidification lorsqu'ils sont irradiés avec de la lumière UV. Vous devez utiliser ces produits chimiques car le gel habituel ne fait rien avec la lumière, il est transparent.

Dans notre cas, nous n'utilisons ni buse ni initiateurs. Nous pouvons travailler uniquement avec le précurseur liquide tel quel, car le faisceau d'électrons lui-même effectue l'initiation dans l'eau.

La solution de précurseur de gel est une solution aqueuse d'un ensemble de molécules réticulées - de très longues molécules reliées entre elles chimiquement. Vous pouvez le remplir d'eau, et il gonfle parce que l'eau remplit les espaces entre les molécules, ou vous pouvez le sécher et il rétrécit.

Un exemple d'une application de gel typique est les lentilles de contact. Cependant, le besoin existe, notamment en biologie, de réaliser des structures plus complexes. Par exemple, si vous vouliez créer des organes artificiels, disons une oreille, vous pourriez fabriquer un échafaudage à partir du gel et le peupler de cellules biologiques qui colleront au gel et s'y développeront. C'est pourquoi l'industrie bio s'intéresse à ce genre de techniques.

Imaginez maintenant que vous vouliez créer quelque chose de vraiment petit, essentiellement au niveau de la cellule biologique individuelle elle-même. Ou disons que vous voulez établir un contact électrique avec la cellule, pour envoyer un signal dans les deux sens. Il faut le faire en douceur, sans trop déranger la cellule car une cellule biologique est un organisme très fragile. Vous pouvez essayer de vous y connecter avec un fil, mais cela pourrait être destructeur même si vous l'avez fait doucement. Dans notre cas, nous sommes capables de produire des gels si petits que nous pouvons faire un très petit contact avec une précision extrêmement élevée. Nous pouvons le faire grâce à la capacité des faisceaux d'électrons à se concentrer sur de très, très petites zones.

Et, autre chose, les produits chimiques initiateurs dont j'ai parlé auparavant sont souvent toxiques. Si vous voulez imprimer quelque chose de vraiment petit en utilisant des techniques d'impression 3D à deux photons de pointe, vous devez augmenter la concentration des initiateurs, de sorte que le gel devient encore plus toxique pour le matériel cellulaire. Dans notre cas, nous pouvons créer des fonctionnalités extrêmement petites sans utiliser d'initiateurs toxiques.

Fiches techniques : Permettez-moi de m'assurer de suivre le processus de base. D'après moi, vous imprimez en 3D avec le gel — vous déposez le gel sur un substrat. C'est bien ça ?

Dr Kolmakov : Permettez-moi de décrire le processus plus en détail. Imaginez que vous avez un microscope électronique à balayage standard. C'est une chambre à vide avec un faisceau d'électrons très, très fin à l'intérieur. Le faisceau peut être aussi petit que trois nanomètres. Si votre échantillon est à l'intérieur de la chambre à vide, vous pouvez balayer le faisceau sur la surface et en obtenir un signal, et à partir de là, vous obtenez une image. Ou, si vous voulez fabriquer quelque chose, vous pouvez mettre, disons, une couche de matériau - les gens l'utilisent pour l'industrie des semi-conducteurs - vous déposez un film de résine photosensible. Vous pouvez ensuite dessiner quelque chose sur cette résine, la modifier chimiquement avec un faisceau d'électrons sur le film solide et la traiter ensuite avec des produits chimiques spéciaux pour l'éliminer. Ensuite, vous obtiendrez un motif sur la surface de l'échantillon. Ce sont des procédures standard de microscopie électronique et de lithographie électronique.

C'est bien avec des films ou des objets solides, mais nous voulons faire quelque chose comme ça dans les liquides. Le problème est que les liquides ne durent pas dans le vide, ils s'évaporent. Le microscope serait contaminé - et cela coûte très cher.

Pour relever ce défi, nous utilisons une membrane très fine, de l'ordre de 10 nanomètres. Il est fabriqué à partir de nitrure de silicium, qui est un matériau semi-conducteur standard. La membrane est si mince que les électrons peuvent la pénétrer avec seulement une petite quantité de diffusion ou d'atténuation, mais pas les gaz et les liquides. Nous utilisons cette astuce pour délivrer le faisceau dans le liquide. Nous l'avons fait en créant une petite chambre secondaire avec une fenêtre en nitrure de silicium et en la remplissant d'un précurseur liquide pour la formation du gel. Nous avons ensuite irradié le liquide très précisément avec des électrons, créant certains motifs. Dans les zones où le faisceau d'électrons le frappe, le liquide est modifié chimiquement et un gel se forme.

C'était notre idée principale :créer la couche molle de cette manière. Ensuite, vous pouvez le délaminer car il se forme très, très près de la membrane. Ensuite, vous commencez à faire pousser la deuxième couche, la délaminez, commencez à faire pousser la troisième couche, et ainsi de suite. C'était notre objectif :utiliser un faisceau d'électrons pour créer une structure de gel couche par couche à l'intérieur du liquide.

Fiches techniques : Alors, les gels sont déposés selon certains motifs ?

Dr Kolmakov : Oui, nous n'avons pas créé de structures extrêmement complexes jusqu'à présent. Mais nous avons démontré les types de structures simples qui sont possibles. Fait important, nous avons également démontré la manière dont le délaminage pouvait être effectué. Lorsque vous faites de l'impression 3D, la délamination de la première couche de la membrane devient un problème car elle colle. Il faut donc créer une procédure de délaminage, pour pouvoir écrire une seconde couche par dessus la première.

Fiches techniques : Le gel est-il une structure de base sur laquelle vous pourriez mettre une cellule biologique ou des types de capteurs ?

Dr Kolmakov : Oui, avec les gels, vous pouvez faire beaucoup de choses. Par exemple, des gels conducteurs peuvent être utilisés comme contacts électriques. Ou puisqu'ils sont transparents, ils peuvent être utilisés pour fabriquer des fibres optiques. En outre, certains gels pourraient être conçus pour être réactifs à certains stimuli. Par exemple, ils peuvent être rendus sensibles à la température ou au pH. Vous pouvez créer de nombreuses fonctionnalités en modifiant les molécules des gels. De cette façon, vous pouvez construire des objets fonctionnels comme des nanonageurs ou des micro-robots mous.

Fiches techniques : Le faisceau d'électrons effectue-t-il toutes ces modifications ?

Dr Kolmakov : Non, jusqu'à présent, le faisceau d'électrons lui-même ne fait que créer une forme.

Fiches techniques : Alors, comment faites-vous toutes les autres choses ?

Dr Kolmakov : Vous introduisez les fonctionnalités du gel lui-même. Par exemple, nous voulions détecter l'humidité et nous voulions rendre le capteur très, très petit. Nous avons ajouté des nanoparticules d'or dans la solution et pendant le processus d'écriture, nous avons encapsulé les particules à l'intérieur de la structure du gel.

Fiches techniques : Donc, vous dites que vous avez mis les particules dans le mélange, puis que vous avez utilisé le faisceau d'électrons pour créer la structure.

Dr Kolmakov : Oui, les particules sont maintenant encapsulées à l'intérieur du gel. La taille du matériau de gel est très sensible à l'humidité. Disons qu'il rétrécit s'il fait sec à l'extérieur et gonfle lorsqu'il est mouillé ou humide. Ensuite, la distance entre les particules incrustées change en raison des variations d'humidité. Vous pouvez ensuite déterminer l'humidité en surveillant la couleur du gel composite. La technique que nous utilisons est appelée excitation plasmonique. Vous pouvez regarder le spectre optique du matériau et déterminer la distance entre les particules. C'est donc un moyen simple de surveiller l'humidité. Mais il y a beaucoup d'autres choses que vous pouvez faire. Par exemple, vous pouvez modifier la molécule de gel elle-même afin qu'elle réponde au pH. Vous pouvez ensuite créer quelque chose comme un robot qui se déplace lorsque l'acidité change. Un robot nanonageur inséré dans certaines zones du corps pourrait bouger lorsque le pH de la solution change. L'avantage est que, contrairement aux autres technologies actuellement utilisées à ces fins, nous pouvons rendre la structure extrêmement petite - nous pouvons en fait la rendre plus petite que la cellule elle-même.

Fiches techniques : Pouvez-vous utiliser des rayons X au lieu de faisceaux d'électrons ?

Dr Kolmakov : Dans une large mesure, peu importe le type de rayonnement ionisant que nous utilisons. L'avantage des faisceaux d'électrons et des rayons X est que vous pouvez les focaliser en un très, très petit point - vous pouvez utiliser l'un ou l'autre pour écrire de très petites structures. Cependant, les rayons X ont leurs propres avantages. Vous pouvez changer l'énergie du faisceau en changeant sa longueur d'onde. Étant donné que chaque élément chimique absorbe les rayons X à des longueurs d'onde très spécifiques, vous pouvez ajouter une spécificité chimique au processus d'écriture. Par exemple, vous pouvez écrire des gels contenant de l'oxygène moins profonds ou plus profonds si vous réglez la longueur d'onde des rayons X plus près ou plus loin du point d'absorption maximale d'oxygène.

Fiches techniques : Mais ne sont-ils pas plus dangereux ?

Dr Kolmakov : Eh bien, il s'agit de rayonnements ionisants, des mesures de sécurité appropriées doivent donc être prises, telles que protéger suffisamment le faisceau de l'utilisateur. Mais c'est une question de dose nécessaire pour modifier les médias. La capacité du faisceau d'électrons à ioniser l'eau en solution est très efficace et ne nécessite pas de fortes doses - c'est exactement ce que nous utilisons comme agent de réticulation.

Fiches techniques : Pensez-vous que cela sera bientôt utilisé à des fins commerciales ?

Dr Kolmakov : L'intérêt de l'industrie pour cette technologie dépendra des capacités que nous pourrons démontrer. Je pense que le défi majeur maintenant, par exemple dans l'impression 3D, est que nous devons encore améliorer la fiabilité de la délamination couche par couche du substrat. Ainsi, dès que nous montrerons des structures submicroniques complexes en 3D, l'industrie devrait s'intéresser à cette technologie pour imprimer de très petites choses. Nous continuons à travailler dessus.

Fiches techniques : Cela pourrait-il être fait avec des sources d'énergie disponibles dans le commerce ?

Dr Kolmakov : Exactement! C'était notre objectif, nous voulions le démontrer à la communauté des personnes qui travaillent avec des microscopes électroniques à balayage ou à transmission standard, et il y en a des milliers dans le monde. De plus, il y a des gens qui possèdent des microscopes à rayons X (qui est une nouvelle industrie) - ils sont devenus disponibles pour les laboratoires récemment. Toutes les machines que nous utilisons dans notre laboratoire sont commerciales. Nous venons d'ajouter des configurations sur mesure très simples. Il est donc tout à fait possible de le faire à grande échelle. Plus encore, il y a de nouveaux développements dans la microscopie elle-même. Certaines entreprises se sont intéressées à la production de microscopes électroniques capables de fonctionner dans un environnement ambiant, comme dans l'air. Ce serait alors encore plus facile, car vous placeriez simplement votre échantillon dans l'air sous le microscope.

Fiches techniques : Qu'est-ce qui vous passionne le plus dans ce projet ?

Dr Kolmakov : Ce qui m'excite le plus, c'est qu'il s'agit d'une toute nouvelle technologie et que nous en sommes au tout début. Mon souhait est de trouver des partenaires enthousiastes et suffisamment de ressources et de main-d'œuvre pour le faire avancer.

Fiches techniques : Pourriez-vous travailler avec une société commerciale pour mettre en œuvre vos techniques ?

Dr. Kolmakov : Certainement, j'en serais ravi. Notre mission au NIST est d'aider l'industrie à développer de nouvelles technologies ou métrologies.

Fiches techniques : Il me semble que beaucoup de gens devraient être intéressés par cela.

Dr. Kolmakov : D'accord, les biologistes travaillant avec la communauté de l'imprimerie seraient intéressés. Par exemple, en utilisant la technologie actuelle de bioimpression 3D, les gens construisent des structures de gel de taille centimétrique pour l'ingénierie tissulaire. Cependant, il est également nécessaire d'imprimer de très petites structures, disons au niveau de la cellule, ou à l'intérieur la cellule, mais cela reste de la science-fiction. Il n'y a pas encore de marché - c'est à peu près un espace ouvert. Si quelqu'un propose une idée commercialisable pour les structures artificielles de gel subcellulaire, l'industrie deviendra plus intéressée. Il se peut que nous soyons trop tôt.

Fiches techniques : Pouvez-vous prévoir des marchés ?

Dr. Kolmakov : Eh bien, une des choses qui, je pense, sera intéressante, c'est de lier notre technologie à l'interfaçage ordinateur-cerveau. Il y a là deux défis majeurs. L'une consiste à développer des électrodes souples qui n'endommageront pas les tissus cérébraux et l'autre consiste à introduire ces électrodes dans le cerveau.

Fiches techniques : J'ai entendu Elon Musk en parler.

Dr. Kolmakov : Oui. Le problème est qu'il utilise une technologie plus ancienne. Leurs électrodes sont solides - peu flexibles - et ne sont pas extrêmement respectueuses des tissus. La deuxième chose est qu'ils doivent faire une opération sur le crâne pour implanter les électrodes. Ce que je vois avec notre type de méthode, c'est que nous pouvons rendre les électrodes beaucoup plus fines, beaucoup plus flexibles et beaucoup plus respectueuses de l'environnement. De plus, nos électrodes peuvent transmettre des signaux électroniques et ioniques et sont optiquement transparentes, de sorte qu'elles peuvent transmettre des signaux optiques dans les deux sens. Donc, à mon avis, c'est une bien meilleure perspective pour l'imagerie de l'activité cérébrale qu'autre chose. C'est probablement l'application la plus chaude que je puisse imaginer. Pratiquement tous ceux qui travaillent dans l'électronique douce gardent à l'esprit l'interfaçage cerveau-ordinateur. Dans un premier temps, ce sera pour les personnes qui ont perdu un peu de fonctionnement, par exemple de mobilité, car elles sont désespérées. Mais finalement, imaginez que vous avez un deuxième cerveau en votre possession.

Il y a un très petit écart, je pense, entre la science-fiction et la réalité maintenant… C'est un domaine immense et ce que nous faisons n'est qu'une toute petite contribution. Les gens ont beaucoup appris en commençant à lire les signaux générés par les cerveaux. Comprendre le cerveau a déjà changé notre façon de faire de l'informatique et a conduit au début d'une nouvelle technologie :l'informatique neuromorphique. Les gens essaient de créer des ordinateurs avec une architecture et un langage complètement différents, et même une logique, avec lesquels travailler, tout en utilisant les éléments normaux, les semi-conducteurs habituels. Il serait moins numérique et plus analogique et de reconnaissance de formes et pourrait utiliser différents matériaux souples, par exemple, au lieu de transistors inorganiques ou d'autres dispositifs tels que les memristors.

Une version modifiée de cette interview a été publiée dans le numéro de décembre 2020 de Tech Briefs.