Impression 3D par faisceau d'électrons de microstructures de gel en milieu liquide : une première

Le Dr Andrei Kolmakov et une équipe de chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont développé une méthode d'impression 3D de minuscules structures de gel dans des liquides avec des faisceaux d'électrons — une méthode jusqu'alors limitée aux solides.

Dr Andrei Kolmakov : L'un de nos projets utilise la microscopie électronique dans des environnements inhabituels. Les microscopes électroniques fonctionnent habituellement dans le vide. Or, de nombreux processus — batteries, catalyse, industrie des semi-conducteurs — impliquent des objets dans des environnements gazeux haute pression ou liquides. C'est difficile avec un microscope électronique car il ne pénètre pas profondément dans les matériaux denses.

Tech Briefs : Qu'est-ce qui vous a intéressé dans ce projet ?

Dans nos recherches, nous développions des techniques pour des capacités d'imagerie électronique pour différentes applications. Une fois, lors d'une réunion de la Materials Research Society (MRS), j'ai remarqué un exposé bio où une imprimante par extrusion imprimait des hydrogels en extrudant un peu de gel liquide, gélifié — solidifié — par lumière UV. J'ai immédiatement senti que notre travail sur la microscopie électronique dans les liquides pourrait contribuer à l'impression de gels. Pour nous, imager ou faire quelque chose dans un liquide ou un précurseur de gel liquide, c'est pareil.

La semaine suivante, mon post-doc et moi avons testé la faisabilité, et à notre étonnement, c'était facile. Nous avons décidé qu'on tenait quelque chose d'important. Nous avons passé un an ou plus sur différents tests, développant ces techniques, et c'est ainsi que cela s'est produit.

C'était difficile car on connaît peu notre processus. L'étude du réticulation, la formation de molécules plus grandes à partir de liquides, de précurseurs plus petits, par électrons, rayons gamma ou rayons X, remonte aux années 1960 en physique des radiations. Mais avant nous, personne n'utilisait de faisceaux d'électrons à basse énergie hautement focalisés pour ces processus. Nous avons décidé que cela pouvait ouvrir une nouvelle porte en synthèse, lithographie, voire impression 3D.

Tech Briefs : Comment les gels sont-ils habituellement créés ?

Dr Kolmakov : Pour les imprimantes à gel commerciales, c'est généralement fait avec la lumière UV. Cependant, ces imprimantes ont une résolution très faible comparée à nous. Elles ont typiquement une taille de caractéristique au millimètre, alors que nous descendons au nanomètre — un million de fois plus petit.

Une imprimante 3D standard fonctionne avec un liquide : plastique fondu, ou solution précurseur de gel liquide pour les bio-imprimantes, et comme c'est visqueux, le liquide peut être lentement extrudé par une buse. On dépose le liquide extrudé de façon contrôlée en déplaçant la buse. Puis on utilise la lumière UV pour polymériser — solidifier — la couche faite. Des chimiques spéciaux, appelés initiateurs, doivent être incorporés dans la solution pour permettre cette solidification sous irradiation UV. Il faut ces chimiques car le gel habituel ne réagit pas à la lumière, il est transparent.

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

La solution précurseur de gel est une solution aqueuse d'un ensemble de molécules réticulées — de très longues molécules connectées chimiquement. On peut la remplir d'eau, elle gonfle car l'eau remplit les espaces entre les molécules, ou la sécher et elle rétrécit.

Un exemple d'application de gel typique : les lentilles de contact. Mais le besoin existe, surtout en biologie, de créer des structures plus complexes. Par exemple, pour créer des organes artificiels, disons une oreille, on pourrait faire un squelette en gel et le peupler de cellules biologiques qui s'y colleront et y croîtront. C'est pourquoi l'industrie bio s'intéresse à ces techniques.

Imaginez maintenant qu'on veuille faire quelque chose de vraiment petit, au niveau de la cellule biologique individuelle. Ou qu'on veuille faire un contact électrique avec la cellule, pour envoyer un signal aller-retour. Il faut le faire doucement, sans trop perturber la cellule car elle est très fragile. On pourrait essayer de s'y connecter avec un fil, mais cela pourrait être destructeur même fait doucement. Dans notre cas, nous produisons des gels si petits qu'on peut faire un contact très petit avec une précision extrême, grâce à la capacité des faisceaux d'électrons à se focaliser sur des zones très, très petites.

Autre point : les chimiques initiateurs dont je parlais sont souvent toxiques. Pour imprimer quelque chose de vraiment petit avec les techniques d'impression 3D biphotoniques de pointe, il faut augmenter la concentration d'initiateurs, rendant le gel encore plus toxique pour le matériel cellulaire. Dans notre cas, nous faisons des caractéristiques extrêmement petites sans aucun initiateur toxique.

Tech Briefs : Laissez-moi m'assurer de suivre le processus de base. Vous imprimez 3D avec le gel — vous déposez le gel sur un substrat. C'est bien ça ?

Dr Kolmakov : Laissez-moi décrire le processus en détail. Imaginez 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 dans la chambre à vide, vous pouvez balayer le faisceau sur la surface et obtenir un signal, et de là, une image. Ou, pour fabriquer quelque chose, vous mettez une couche de matériau — on utilise cela dans l'industrie des semi-conducteurs — vous déposez un film de photorésist. Vous pouvez alors dessiner quelque chose sur ce résist, le modifier chimiquement avec un faisceau d'électrons sur le film solide et le traiter ensuite avec des chimiques spéciaux pour l'enlèvement. Vous obtenez alors un motif sur la surface de l'échantillon. Ce sont les procédures standard de microscopie électronique et lithographie électronique.

C'est bien pour des films ou objets solides, mais nous voulons faire cela dans des liquides. Le problème : les liquides ne durent pas dans le vide, ils s'évaporent. Le microscope serait contaminé — et c'est très cher.

Pour gérer ce défi, nous utilisons une membrane très fine, dans la gamme 10 nanomètres. Elle est en nitrure de silicium, matériau standard des semi-conducteurs. La membrane est si fine que les électrons la traversent avec peu de diffusion ou d'atténuation, mais les gaz et liquides ne la traversent pas. Nous utilisons cette astuce pour amener le faisceau dans le liquide. Nous l'avons fait en créant une petite chambre secondaire avec une fenêtre en nitrure de silicium et 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 frappe, le liquide est chimiquement modifié, et un gel se forme.

C'était notre idée majeure : créer la couche souple de cette manière. Ensuite, on peut la décoller car elle se forme très, très près de la membrane. Puis on commence à faire croître la deuxième couche, on la décolle, on commence la troisième, et ainsi de suite. C'était notre but : utiliser un faisceau d'électrons pour créer une structure de gel couche par couche à l'intérieur du liquide.

Tech Briefs : Donc les gels sont déposés selon certains motifs ?

Dr Kolmakov : Oui, nous n'avons pas encore créé de structures extrêmement complexes. Mais nous avons démontré les types de structures simples possibles. Importamment, nous avons aussi démontré comment le décollement pouvait se faire. En impression 3D, le décollement de la première couche de la membrane devient un problème car elle colle. Il faut donc créer une procédure de décollement pour pouvoir écrire une deuxième couche par-dessus la première.

Tech Briefs : Le gel est-il une structure de base sur laquelle on pourrait mettre une cellule biologique ou des capteurs ?

Dr Kolmakov : Oui, avec les gels on peut faire beaucoup de choses. Par exemple, des gels conducteurs peuvent servir de contacts électriques. Ou, comme ils sont transparents, ils peuvent servir à faire des fibres optiques. Aussi, certains gels peuvent être rendus réactifs à certains stimuli : sensibles à la température ou au pH. On peut créer beaucoup de fonctionnalités en modifiant les molécules des gels. Ainsi, on peut construire des objets fonctionnels comme des nanoswimmers ou des micro-robots souples.

Tech Briefs : Le faisceau d'électrons fait-il toutes ces modifications ?

Dr Kolmakov : Non, jusqu'ici le faisceau d'électrons ne fait que la forme.

Tech Briefs : Comment faites-vous les autres choses alors ?

Dr Kolmakov : On introduit les fonctionnalités dans le gel lui-même. Par exemple, nous voulions détecter l'humidité et faire 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 dans la structure de gel.

Tech Briefs : Donc vous mettez les particules dans le mélange et ensuite vous utilisez le faisceau d'électrons pour faire la structure.

Dr Kolmakov : Oui, les particules sont maintenant encapsulées dans le gel. La taille du matériau de gel est très sensible à l'humidité. Disons qu'il rétrécit s'il fait sec dehors et gonfle quand c'est humide. Alors la distance entre les particules embarquées change à cause des variations d'humidité. On peut alors déterminer l'humidité en surveillant la couleur du gel composite. La technique utilisée s'appelle l'excitation plasmonique. On regarde le spectre optique du matériau et on détermine la distance entre les particules. C'est une façon simple de surveiller l'humidité. Mais il y a beaucoup d'autres choses possibles. Par exemple, on peut changer la molécule de gel pour qu'elle soit réactive au pH. On peut alors faire un robot qui bouge quand l'acidité change. Un nanoswimmer inséré dans certaines zones du corps pourrait bouger quand le pH de la solution change. L'avantage est que, différent des technologies actuelles, nous pouvons faire la structure extrêmement petite — plus petite que la cellule elle-même.

Tech Briefs : Peut-on utiliser des rayons X au lieu de faisceaux d'électrons ?

Dr Kolmakov : Dans une large mesure, peu importe le type de rayonnement ionisant. L'avantage des deux est qu'on peut les focaliser en un point très, très petit — on peut utiliser l'un ou l'autre pour écrire des structures très petites. Cependant, les rayons X ont leurs propres avantages. On peut changer l'énergie du faisceau en changeant sa longueur d'onde. Comme chaque élément chimique absorbe les rayons X à des longueurs d'onde très spécifiques, on peut ajouter une spécificité chimique dans le processus d'écriture. Par exemple, on peut écrire des gels contenant de l'oxygène plus ou moins profondément si on accorde la longueur d'onde des rayons X vers ou loin du point d'absorption maximale de l'oxygène.

Tech Briefs : Mais ne sont-ils pas plus dangereux ?

Dr Kolmakov : C'est du rayonnement ionisant, donc des mesures de sécurité appropriées sont nécessaires, comme blindage suffisant du faisceau. Mais c'est une question de dose nécessaire pour modifier le milieu. La capacité du faisceau d'électrons à ioniser l'eau en solution est très efficace et ne nécessite pas de grandes doses — c'est exactement ce que nous utilisons comme agent de réticulation.

Tech Briefs : Voyez-vous une utilisation commerciale prochainement ?

Dr Kolmakov : L'intérêt de l'industrie dépendra des capacités que nous démontrerons. Le défi majeur maintenant, par exemple en impression 3D, est d'améliorer la fiabilité du décollement couche par couche du substrat. Dès que nous montrerons des structures 3D complexes submicroniques, l'industrie devrait s'intéresser à cette technologie pour imprimer des choses très petites. Nous continuons à travailler dessus.

Tech Briefs : Cela pourrait-il se faire avec des sources d'énergie disponibles commercialement ?

Dr Kolmakov : Exactement ! C'était notre but, démontrer cela à la communauté travaillant avec des microscopes électroniques à balayage ou transmission standards, qui sont des milliers dans le monde. Aussi ceux qui possèdent des microscopes à rayons X (nouvelle industrie) — ils sont devenus disponibles pour les labos récemment. Toutes les machines que nous utilisons sont commerciales. Nous avons juste ajouté des montages personnalisés très simples. C'est donc définitivement possible à grande échelle. Encore plus, il y a de nouveaux développements dans la microscopie elle-même. Certaines entreprises s'intéressent à produire des microscopes électroniques capables de fonctionner en environnement ambiant, comme dans l'air. Ce serait encore plus facile, il suffirait de mettre l'échantillon dans l'air sous le microscope.

Tech Briefs : Qu'est-ce qui vous excite le plus dans ce projet ?

Dr Kolmakov : Ce qui m'excite le plus, c'est que c'est une technologie toute neuve et nous sommes au tout début. Mon souhait est de trouver des partenaires enthousiastes et assez de ressources et de main-d'œuvre pour la faire avancer.

Tech Briefs : Pourriez-vous travailler avec une entreprise commerciale pour implémenter vos techniques ?

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

Tech Briefs : Il semble que beaucoup de gens devraient s'y intéresser.

Dr Kolmakov : Oui, les biologistes travaillant avec la communauté de l'impression seraient intéressés. Par exemple, avec la technologie actuelle de bio-impression 3D, on construit des structures de gel de taille centimétrique pour l'ingénierie tissulaire. Mais il y a aussi un besoin d'imprimer des structures très petites, disons au niveau de la cellule, ou dans la cellule, mais c'est encore de la science-fiction. Il n'y a pas de marché encore — c'est à peu près un espace ouvert. Si quelqu'un a une idée commercialisable pour des structures de gel artificielles sous-cellulaires, l'industrie s'intéressera davantage. Peut-être sommes-nous trop en avance.

Tech Briefs : Pouvez-vous prédire des marchés ?

Dr Kolmakov : L'une des choses que je pense intéressante, c'est de lier notre technologie à l'interface cerveau-ordinateur. Il y a deux défis majeurs : développer des électrodes souples qui n'endommagent pas le tissu cérébral, et livrer ces électrodes dans le cerveau.

Tech Briefs : J'ai entendu Elon Musk en parler.

Dr Kolmakov : Oui. Le problème est qu'il utilise une technologie plus ancienne. Leurs électrodes sont solides — pas très flexibles — et pas très amies avec le tissu. Deuxième chose : ils doivent faire une opération sur le crâne pour implanter les électrodes. Avec notre méthode, on peut faire des électrodes beaucoup plus fines, plus flexibles, plus bio-compatibles. Aussi, nos électrodes peuvent transmettre signaux électroniques et ioniques, et sont optiquement transparentes, donc transmettre signaux optiques aller-retour. À mon avis, c'est une bien meilleure perspective pour l'imagerie d'activité cérébrale que tout le reste. C'est probablement l'application la plus chaude que j'imagine. Pratiquement tous ceux qui travaillent en électronique souple gardent en tête l'interface cerveau-ordinateur. Au début, ce sera pour ceux qui ont perdu certaines fonctions, comme la mobilité, car ils sont désespérés. Mais éventuellement — imaginez que vous ayez un second cerveau à votre disposition.

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

Une version éditée de cette interview est parue dans le numéro de décembre 2020 de Tech Briefs.