Q＆A：小さなゲル構造の3Dプリントの新しい方法

アンドレイコルマコフ博士と米国国立標準技術研究所（NIST）の研究者チームは、電子ビームを使用して液体中の小さなゲル構造を3D印刷する方法を開発しました。これは、以前は固体に限定されていた方法です。

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博士アンドレイ・コルマコフ： 私たちが実行しているプロジェクトの1つは、異常な環境での電子顕微鏡の使用です。電子顕微鏡は通常、真空中で機能します。たとえば、電池、触媒作用、半導体産業など、高圧の気体または液体環境にある物体を調べたいプロセスはたくさんあります。電子顕微鏡は高密度の材料に深く浸透しないため、これを行うのは困難です。

テクニカルブリーフ： このプロジェクトに興味を持ったきっかけは何ですか？

研究の一環として、さまざまなアプリケーション向けの電子イメージング機能を開発する技術に取り組んでいました。かつて、Materials Research Society（MRS）の会議で、UV光によってゲル化（固化）する少量の液体ゲルを押し出すことによって、押し出しプリンターがヒドロゲルを印刷しているバイオ関連の展示に気づきました。液体中の電子顕微鏡の研究がゲルの印刷に貢献できるとすぐに感じました。私たちにとって、液体または液体ゲル前駆体のどちらで何かを画像化または実行しているかは関係ありません。

翌週、ポスドクと私はそれが実行可能かどうかを確認するためのテストを行いました。驚いたことに、それは簡単でした。それで、私たちは何か大きなことに取り組んでいることに決めました。私たちはさまざまな種類のテストに1年以上を費やし、これらの技術を開発しました。それがその方法でした。

私たちのプロセスについてはあまり知られていないので、それは挑戦的でした。電子またはガンマ線またはX線を使用した、液体からの、より小さな前駆体からのより大きな分子の形成である架橋の研究は、基本的に1960年代の放射線物理学に由来します。しかし、私たちの前では、この種のプロセスに高集束の低エネルギー電子ビームを使用している人は誰もいませんでした。これにより、合成、リソグラフィー、さらには3D印刷に新たな扉が開かれる可能性があると判断しました。

テクニカルブリーフ： ゲルは通常どのように作成されますか？

博士 コルマコフ： 市販のゲルプリンターの場合、通常はUV光を使用します。しかし、これらのプリンターは私たちと比較して非常に低い解像度を持っています。それらは通常ミリメートルの特徴サイズを持っていますが、ナノメートルレベルに行くことができます—百万分の1です。

標準の3Dプリンターが機能する方法は、液体を使用することです。溶融プラスチック、またはバイオプリンターの場合は液体ゲル前駆体溶液であり、粘性があるため、液体をノズルからゆっくりと押し出すことができます。ノズルを表面上で動かすことにより、押し出された液体を制御可能な方法で貼り付けることができます。次に、UV光を使用して、作成したレイヤーを硬化（固化）できます。開始剤と呼ばれる特殊な化学物質を溶液に埋め込んで、UV光を照射したときにこの種の凝固を可能にする必要があります。通常のゲルは光に対して何もしないため、これらの化学物質を使用する必要があります。透明です。

私たちの場合、ノズルもイニシエーターも使用していません。電子ビーム自体が水中で開始するため、液体前駆体をそのまま使用できます。

ゲル前駆体溶液は、架橋された分子の集合体の水溶液です。非常に長い分子が化学的に結合しています。あなたはそれを水で満たすことができます、そしてそれは水が分子の間のスペースを満たすのでそれは膨らみます、あるいはあなたはそれを乾かしてそれが縮むことができます。

典型的なゲル用途の一例は、コンタクトレンズです。しかし、特に生物学では、より複雑な構造を作る必要があります。たとえば、耳などの人工臓器を作成したい場合は、ゲルから足場を作成し、ゲルに付着してそこで成長する生体細胞を配置することができます。そのため、バイオ業界はこの種の技術に関心を持っています。

基本的に個々の生体細胞自体のレベルで、本当に小さなものを作りたいと想像してみてください。または、信号を前後に送信するために、セルに電気的接触をしたいとします。生体細胞は非常に壊れやすい生物であるため、細胞をあまり乱さずに穏やかに行う必要があります。ワイヤーで接続しようとすることもできますが、それをやさしく行ったとしても、それは破壊的である可能性があります。私たちの場合、非常に小さいゲルを製造できるため、非常に小さな接触を非常に高い精度で行うことができます。これができるのは、電子ビームが非常に小さな領域に集束できるためです。

そして、別のこととして、私が以前に話した開始化学物質はしばしば有毒です。最先端の2光子3D印刷技術を使用して非常に小さなものを印刷する場合は、開始剤の濃度を上げる必要があるため、ゲルは細胞材料に対してさらに毒性が高くなります。私たちの場合、有毒な開始剤を使用せずに非常に小さな機能を作成できます。

テクニカルブリーフ： 基本的なプロセスに従っていることを確認しましょう。私の見方では、ゲルを使って3Dプリントします—ゲルを基板に堆積します。そうですか？

博士 コルマコフ： プロセスについて詳しく説明します。あなたが標準的な走査型電子顕微鏡を持っていると想像してください。これは、内部に非常に細い電子ビームを備えた真空チャンバーです。ビームは3ナノメートルまで小さくすることができます。サンプルが真空チャンバー内にある場合は、表面上のビームをスキャンして信号を取得し、そこから画像を取得できます。または、何かを作りたい場合は、たとえば、材料の層を置くことができます—人々はこれを半導体産業に使用します—フォトレジストのフィルムを置きます。次に、このレジストに何かを描き、固体フィルム上の電子ビームで化学的に修飾し、その後、除去のために特別な化学物質で処理することができます。次に、サンプルの表面にパターンを取得します。これらは、標準的な電子顕微鏡および電子リソグラフィーの手順です。

固体のフィルムやオブジェクトでは問題ありませんが、液体でそのようなことをしたいと考えています。問題は、液体が真空中では持続せず、蒸発することです。顕微鏡は汚染されるでしょう—そしてそれは非常に高価です。

この課題に対処するために、10ナノメートルの範囲の非常に薄い膜を使用します。標準的な半導体材料である窒化ケイ素から作られています。膜は非常に薄いため、電子はわずかな散乱または減衰で膜を透過できますが、気体や液体は透過できません。このトリックを使用して、ビームを液体に送ります。これは、窒化ケイ素ウィンドウを備えた小さな二次チャンバーを作成し、ゲル形成用の液体前駆体で満たすことによって行いました。次に、液体に電子を非常に正確に照射して、特定のパターンを作成しました。電子ビームが当たる部分では、液体が化学的に修飾され、ゲルが形成されます。

それが私たちの主なアイデアでした。この方法でソフトレイヤーを作成することです。次に、膜に非常に接近して形成されるため、剥離することができます。その後、2番目のレイヤーの成長を開始し、それを剥離し、3番目のレイヤーの成長を開始します。これが私たちの目的でした。電子ビームを使用して、液体の内部に層ごとのゲル構造を作成することです。

テクニカルブリーフ： では、ゲルは特定のパターンで配置されていますか？

博士 コルマコフ： はい、これまで非常に複雑な構造を作成していません。しかし、可能な単純な構造の種類を示しました。重要なのは、層間剥離を行う方法も示したことです。 3D印刷を行う場合、膜からの最初の層の層間剥離が問題になります。したがって、最初のレイヤーの上に2番目のレイヤーを書き込めるように、層間剥離の手順を作成する必要があります。

テクニカルブリーフ： ゲルは、生体細胞やある種のセンサーを置くことができる基本的な構造ですか？

博士 コルマコフ： はい、ゲルを使用すると、多くのことができます。たとえば、導電性ゲルを電気接点として使用できます。または、透明なので光ファイバーの製造に使用できます。また、いくつかのゲルは、特定の刺激に反応するように作ることができます。たとえば、温度やpHに敏感にすることができます。ゲルの分子を変更することで、多くの機能を作成できます。このようにして、ナノスイマーやソフトマイクロロボットなどの機能的なオブジェクトを構築できます。

テクニカルブリーフ： 電子ビームはこれらすべての変更を行いますか？

博士 コルマコフ： いいえ、これまでのところ、電子ビーム自体が形を作っているだけです。

テクニカルブリーフ： では、他のすべてのことをどのように行いますか？

博士 コルマコフ： ゲル自体に機能を導入します。たとえば、湿度を感知したり、センサーを非常に小さくしたりしたいと考えました。溶液に金ナノ粒子を追加し、書き込みプロセス中に、粒子をゲル構造内にカプセル化しました。

テクニカルブリーフ： つまり、粒子を混合物に入れてから、電子ビームを使用して構造を作成したということです。

博士 コルマコフ： はい、粒子はゲル内にカプセル化されます。ゲル材料のサイズは湿度に非常に敏感です。外が乾くと縮み、湿気や湿気があると膨らむとしましょう。すると、湿度の変化により、埋め込まれた粒子間の距離が変化します。次に、複合ゲルの色を監視することで湿度を判断できます。私たちが使用する技術は、プラズモニック励起と呼ばれます。材料の光スペクトルを見て、粒子間の距離を決定することができます。したがって、これは湿度を監視する簡単な方法です。しかし、あなたができることは他にもたくさんあります。たとえば、ゲル分子自体を変更して、pHに反応するようにすることができます。そうすれば、酸味が変化したときに動くロボットのようなものを作ることができます。体の特定の領域に挿入されたナノスイマーロボットは、溶液のpHが変化すると動く可能性があります。利点は、これらの目的で現在使用されている他のテクノロジーとは異なり、構造を非常に小さくできることです。実際には、セル自体よりも小さくすることができます。

テクニカルブリーフ： 電子ビームの代わりにX線を使用できますか？

博士 コルマコフ： ほとんどの場合、使用している電離放射線の種類は関係ありません。電子ビームとX線の両方の利点は、それらを非常に小さなスポットに焦点を合わせることができることです。どちらかを使用して、非常に小さな構造を書くことができます。ただし、X線には独自の利点があります。ビームの波長を変えることで、ビームのエネルギーを変えることができます。各化学元素は非常に特定の波長のX線を吸収するため、書き込みプロセスに化学的特異性を追加できます。たとえば、X線の波長を最大酸素吸収点に近づけたり遠ざけたりすると、酸素含有ゲルを浅くまたは深く書くことができます。

テクニカルブリーフ： しかし、彼らはもっと危険ではありませんか？

博士 コルマコフ： さて、これは電離放射線なので、ユーザーからのビームを十分に遮蔽するなど、適切な安全対策を講じる必要があります。しかし、それはメディアを変更するために必要な線量の問題です。溶液中の水をイオン化する電子ビームの能力は非常に効果的であり、大量の線量を必要としません。これはまさに私たちが架橋剤として使用しているものです。

テクニカルブリーフ： これはすぐに商業的に使用されると思いますか？

博士 コルマコフ： このテクノロジーに対する業界の関心は、私たちが実証できる能力に依存します。たとえば3D印刷における現在の主な課題は、基板からの層ごとの層間剥離の信頼性を改善する必要があることだと思います。したがって、3Dの複雑なサブミクロン構造を示すとすぐに、業界は非常に小さなものを印刷するためのこのテクノロジーに関心を持つはずです。私たちはこれらに取り組み続けています。

テクニカルブリーフ： これは市販のエネルギー源で行うことができますか？

博士 コルマコフ： 丁度！それが私たちの目標でした。私たちは、標準的な走査型電子顕微鏡または透過型電子顕微鏡を使用する人々のコミュニティにこれを示したかったのです。世界中に何千もの顕微鏡があります。また、X線顕微鏡（新しい業界）を所​​有している人もいます。最近、ラボで利用できるようになりました。私たちのラボで使用するすべてのマシンは商用です。非常にシンプルなカスタムメイドのセットアップを追加しました。したがって、これを大規模に行うことは間違いなく可能です。さらに、顕微鏡自体に新しい開発があります。一部の企業は、空気中などの周囲環境で動作できる電子顕微鏡の製造に関心を持っています。顕微鏡下でサンプルを空気中に置くだけなので、それはさらに簡単です。

テクニカルブリーフ： このプロジェクトで最も興奮していることは何ですか？

博士 コルマコフ： 私が最も興奮しているのは、これがまったく新しいテクノロジーであり、私たちはその最初の段階にいるということです。私の願いは、熱心なパートナーと、それを前進させるのに十分なリソースと人材を見つけることです。

テクニカルブリーフ： 商業会社と協力して技術を実装することはできますか？

博士コルマコフ： 間違いなく、私は喜んでいるでしょう。 NISTでの私たちの使命は、業界が新しいテクノロジーや計測を開発するのを支援することです。

テクニカルブリーフ： 多くの人がこれに興味を持っているはずだと私には思えます。

博士コルマコフ： そうです、印刷コミュニティと協力している生物学者は興味があるでしょう。たとえば、現在の3Dバイオプリンティング技術を使用して、人々は組織工学用のセンチメートルサイズのゲル構造を構築しています。ただし、セルのレベルや内部など、非常に小さな構造を印刷する必要もあります。 セルですが、それはまだ空想科学小説です。まだ市場はありません—それはほとんどオープンスペースです。誰かが人工細胞内ゲル構造の市場性のあるアイデアを思いついた場合、業界はより興味を持つようになります。早すぎるかもしれません。

テクニカルブリーフ： 市場を予測できますか？

博士コルマコフ： さて、私が興味深いと思うことの1つは、私たちのテクノロジーをコンピューターと脳のインターフェースにリンクすることです。そこには2つの大きな課題があります。 1つは脳組織に損傷を与えない柔らかい電極を開発することであり、もう1つはこれらの電極を脳に送達することです。

テクニカルブリーフ： イーロンマスクがそれについて話しているのを聞いた。

博士コルマコフ： はい。問題は、彼が古いテクノロジーを使用していることです。それらの電極は固体であり（あまり柔軟ではありません）、組織に非常に優しいわけではありません。 2つ目は、電極を埋め込むために頭蓋骨に手術を行う必要があることです。私たちの種類の方法で私が見ているのは、電極をはるかに薄く、はるかに柔軟で、はるかに生物に優しいものにすることができるということです。また、当社の電極は電子信号とイオン信号を送信でき、光学的に透明であるため、光信号を前後に送信できます。したがって、私の意見では、これは他の何よりも脳活動イメージングのはるかに良い見通しです。それはおそらく私が想像できる最もホットなアプリケーションです。事実上、ソフトエレクトロニクスで働くすべての人は、ブレインコンピューターインターフェースを念頭に置いています。当初は、必死になってモビリティなどの機能を失った人向けです。しかし、最終的には—あなたが2番目の脳を所有していると想像してください。

サイエンスフィクションと現実の間には、今では非常に小さなギャップがあると思います…これは巨大な分野であり、私たちが行っていることはほんのわずかな貢献です。人々は、脳が生成する信号を読み始めることで多くのことを学びました。脳を理解することは、私たちのコンピューティングのやり方をすでに変えており、ニューロモルフィックコンピューティングという新しいテクノロジーの始まりにつながっています。人々は、通常の要素である通常の半導体を使用しながら、完全に異なるアーキテクチャと言語、さらにはロジックを備えたコンピュータを作成しようとしています。それはデジタルではなく、アナログとパターン認識に多くなり、無機トランジスタやメモリスタなどの他のデバイスの代わりに、異なる、たとえば柔らかい材料を使用する可能性があります。

このインタビューの編集版は、TechBriefsの2020年12月号に掲載されました。