Новая стратегия многоматериальной 3D-нанопечати может революционизировать оптику, фотонику и биомедицину

Инженеры Университета Мэриленда (UMD) создали новую технику многоматериальной 3D-нанопечати, которая была представлена на внутренней обложке выпуска журнала Lab on a Chip от 21 июля.

Новая техника команды, способная печатать крошечные многоматериальные структуры размером в доли человеческого волоса, предлагает исследователям более быстрый, дешёвый и точный способ 3D-печати таких сложных структур. Процесс использует очень простой процесс формования, широко применяемый в большинстве лабораторий микрофлюидики.

Для демонстрации своего подхода исследователи напечатали на 3D-принтере ряд многоматериальных компонентов, включая пятиматериальную структуру ДНК, многоматериальный «микро-виолончель» и микро-логотип UMD из четырёх материалов.

«Предоставив исследователям доступный способ 3D-нанопечати многоматериальных систем, который не только намного быстрее, но и точнее обычных методов, эта работа открывает двери для новых приложений, требующих микроструктур с несколькими материалами и, как следствие, несколькими функциями», — сказал Райан Сохол, доцент кафедры машиностроения и биоинженерии в Инженерной школе им. А. Джеймса Кларка при UMD.

В одном из применений этой новой стратегии лаборатория биоинспирированного аддитивного производства (BAM) Сохола сотрудничает с Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA), чтобы использовать этот метод для 3D-нанопечати частей человеческого глаза, включающих сложную анатомию с различными оптическими свойствами.

Эндрю Ламонт, ведущий автор исследования и аспирант по биоинженерии в UMD, представил первые результаты работы команды на Международной конференции по микроэлектромеханическим системам (MEMS) в Сеуле в январе, где работа была удостоена награды конференции «Выдающаяся статья».

За последнее десятилетие учёные сталкивались с трудностями при 3D-нанопечати структур более чем из одного материала, поскольку обычные методы ограничены по времени, стоимости, трудоёмкости и разрешению для нескольких материалов. Хотя технологии 3D-печати значительно продвинулись в последние годы, печать в очень малых масштабах остаётся сложной задачей.

«К сожалению, предыдущие проблемы привели лишь к небольшому числу достижений в области многоматериальной 3D-нанопечати, подавляющее большинство из которых включает только два материала, — сказал Ламонт, разработавший подход в рамках своей докторской диссертации. — Но с нашей стратегией исследователи могут легко печатать 3D-нанопечатью системы с большим количеством интегрированных материалов со скоростью и размерами, недоступными для обычных методов».

Команда Инженерной школы им. Кларка подала две предварительные заявки на патенты США на свою стратегию. Она основана на процессе, называемом «прямое лазерное письмо in situ», и работе, опубликованной ранее в этом году. Многоматериальные структуры печатаются 3D-нанопечатью непосредственно внутри микрофлюидных каналов, при этом различные жидкие материалы загружаются в канал по одному для печати, специфичной для каждого материала. После завершения процесса печати корпус микрофлюидного канала можно удалить, оставив полностью интегрированные многоматериальные 3D-структуры за доли времени, но с лучшей точностью, чем в современных аналогах.

«Эта новая возможность 3D-нанопечати систем, состоящих из материалов с целевыми химическими, биологическими, электрическими, оптическими и/или механическими свойствами, — сказал Сохол, — предлагает многообещающий путь к прорывам в таких областях, как доставка лекарств, передовая оптика, метаматериалы и микроробототехника».