液体環境での電子ビーム3Dプリントによる微小ゲル構造造形を先駆的に開発

NISTのアンドレイ・コルマコフ博士率いる研究チームが、電子ビームを用いて液体中で微小ゲル構造を3Dプリントする手法を開発しました。これは従来、固体でのみ可能とされてきた技術です。

電子顕微鏡を「異常な環境」で活用

コルマコフ博士： 我々のプロジェクトの一つは、電子顕微鏡を通常とは異なる環境で使用することです。電子顕微鏡は通常真空で動作します。しかしバッテリー、触媒、半導体産業など多くのプロセスでは、高圧ガスや液体環境中の物体を観察したいニーズがあります。電子顕微鏡は密度の高い物質へ深く透過できないため、これは困難でした。

Tech Briefs： このプロジェクトに関心を持ったきっかけは？

電子イメージング能力を様々な用途に開発する研究の一環として、材料研究学会（MRS）の会合でバイオ関連展示を見た際、押出しプリンターが液体ゲルを微量押出し、UV光でゲル化（固化）させているのを目にしました。我々の液体中電子顕微鏡研究がゲルプリントに貢献できると直感しました。イメージングであれプリントであれ、液体や液体ゲル前駆体中での作業は我々にとって同じだからです。

翌週、ポスドクと共に実現可能性テストを行ったところ、驚くほど容易でした。大きな発見になると確信し、1年以上かけて様々なテストを行い技術を開発しました。

このプロセスについてはまだあまり知られていないため挑戦的でした。液体からより小さな前駆体を用いて電子線、ガンマ線、X線で架橋（より大きな分子の形成）を行う研究は1960年代の放射線物理学に遡ります。しかし我々以前に、高集束低エネルギー電子ビームをこれらプロセスに用いた例はありません。これが合成、リソグラフィ、さらには3Dプリントの新たな扉を開くと判断しました。

従来のゲル生成方法との違い

Tech Briefs： ゲルは通常どう作られる？

コルマコフ博士： 市販ゲルプリンターでは通常UV光を使用します。しかし解像度は我々より遥かに低く、典型的にミリメートルオーダーの特徴サイズですが、我々はナノメートルレベル——百万倍小さい——まで可能です。

標準的3Dプリンターの仕組み：溶融プラスチックや液体ゲル前駆体溶液（バイオプリンターの場合）などの液体があり、粘性があるためノズルからゆっくり押出し可能です。ノズルを表面上で動かし、押出し液体を制御可能にペーストします。その後UV光で層を硬化（固化）させます。イニシエーターと呼ばれる特殊化学物質を溶液に埋め込み、UV照射で固化可能にする必要があります。通常のゲルは光に対して透明で何もしないためです。

我々の場合、ノズルもイニシエーターも不要です。電子ビーム自体が水中でイニシエーションを行うため、液体前駆体そのままで作業可能です。

ゲル前駆体溶液は、化学的に結合した非常に長い分子のアンサンブル（架橋分子）の水溶液です。水を吸わせると分子間隙に水が入り膨張し、乾燥させると収縮します。

典型的なゲル応用例はコンタクトレンズです。しかし生物学分野ではより複雑な構造を作るニーズがあります。例えば人工臓器（耳など）を作る場合、ゲルで足場を作り、生物学的細胞を植え付けてゲルに付着・増殖させます。そのためバイオ産業がこれら技術に関心を持っています。

個々の生物学的細胞レベル、つまり細胞そのもののレベルで何かを作りたい場合を想像してください。または細胞へ電気的コンタクトを作り、信号をやり取りしたい場合。生物学的細胞は非常に繊細な有機体なので、あまり攪乱せず穏やかに行う必要があります。ワイヤーで接続しようとしても、慎重にやっても破壊的になり得ます。我々の場合、電子ビームを非常に微小な領域に集束できる能力により、極めて高精度で極めて小さなコンタクトを作れます。

また、前述のイニシエーター化学物質はしばしば毒性があります。最先端の二光子3Dプリント技術で極微小構造をプリントしようとすると、イニシエーター濃度を高める必要があり、ゲルが細胞材料に対してさらに毒性を強めます。我々の手法では、毒性イニシエーターなしで極微細構造を作れます。

プロセス詳細：液体中での層別造形

Tech Briefs： 基本プロセスを確認させてください。ゲルで3Dプリント——基板上にゲルを堆積させる、という理解で正しい？

コルマコフ博士： 詳細を説明します。標準的な走査電子顕微鏡を想像してください。非常に微細な電子ビーム（3ナノメートルまで可能）を持つ真空室です。試料が室内にあれば、ビームを表面走査し信号を得て画像化します。または造形したい場合、フォトレジスト膜など材料層を置き、固体膜上で電子ビームで化学修飾し、特殊化学薬品で除去処理して表面パターンを得ます。これらは標準的電子顕微鏡・電子ビームリソグラフィ手順です。

これは固体膜/物体には有効ですが、我々は液体で同様のことをしたい。問題は液体が真空で持たず、蒸発してしまうこと。顕微鏡が汚染され、非常に高コストです。

この課題解決のため、10ナノメートルオーダーの極薄膜を使用します。材料は窒化シリコン——標準的半導体材料です。膜が極薄なので電子はわずかな散乱/減衰で透過可能ですが、ガスと液体は通過できません。このトリックでビームを液体へ届けます。窒化シリコンウィンドウを持つ小さな副室を作り、ゲル形成用液体前駆体を充填。電子ビームで液体を極めて精密に照射し、特定パターンを作成。電子ビーム照射箇所では液体が化学修飾され、ゲルが形成されます。

これが主要アイデア：この方法でソフト層を作成。その後、膜に非常に近接して形成されるため剥離可能。続いて第2層を成長させ、剥離、第3層……と繰り返します。これが狙い——電子ビームで液体中に層別ゲル構造を作ることです。

Tech Briefs： ゲルが特定パターンで堆積される、ということですね？

コルマコフ博士： はい。まだ極めて複雑な構造は作れていませんが、可能なシンプル構造を実証しました。重要なのは、剥離方法も実証したことです。3Dプリントでは第1層の膜からの剥離が問題になります（くっつくため）。第2層を第1層上に書くため、剥離手順を確立する必要があります。

生物学的細胞・センサーへの応用可能性

Tech Briefs： ゲルは生物学的細胞やセンサーを載せる基本構造になり得る？

コルマコフ博士： はい、ゲルで様々なことが可能です。例：導電性ゲルを電気コンタクトとして使用。透明なので光ファイバーとして使用可能。特定刺激に反応するゲルも作れます（温度感応性、pH感応性など）。ゲル分子を修飾することで多機能化でき、ナノスイマーやソフトマイクロロボットのような機能的オブジェクトを構築可能です。

Tech Briefs： 電子ビームがこれら全ての修飾を行う？

コルマコフ博士： いいえ、現状では電子ビームは形状形成のみです。

Tech Briefs： では他の機能はどう実現する？

コルマコフ博士： ゲル自体に機能を導入します。例：湿度を検知し、センサーを極小にしたい場合、金ナノ粒子を溶液に添加し、書き込みプロセスで粒子をゲル構造内にカプセル化します。

Tech Briefs： 粒子を混合物に入れ、電子ビームで構造を作る、ということですね？

コルマコフ博士： はい、粒子がゲル内にカプセル化されます。ゲル材料サイズは湿度に非常に敏感。乾燥時は収縮、湿潤時は膨張。すると埋め込まれた粒子間距離が湿度変化で変わります。複合ゲルの色を監視することで湿度を測定可能。この技術はプラズモン励起と呼ばれ、材料の光学スペクトルから粒子間距離を決定します。これは湿度監視のシンプルな方法ですが、他にも多くのことが可能です。ゲル分子自体を変えてpH応答性にすれば、酸性度変化で動くロボットが作れます。体内特定部位に挿入したナノスイマーロボットが、溶液pH変化で移動可能。現在用いられている他技術と異なり、細胞より小さな構造を作れるのが利点です。

X線利用の可能性と商業化展望

Tech Briefs： 電子ビームの代わりにX線は使える？

コルマコフ博士： 大きな意味では、どの電離放射線を使うかは問題ではありません。電子ビームもX線も極微小スポットに集束可能で、どちらも極微細構造書き込みに使えます。しかしX線には独自の利点があります。ビームエネルギーを波長変更で変えられます。各化学元素が特定波長でX線を吸収するため、書き込みプロセスに化学特異性を導入可能。例：酸素含有ゲルを、X線波長を酸素吸収極大点に近づけるか遠ざけるかで、より浅く/深く書き込めます。

Tech Briefs： でもX線の方が危険では？

コルマコフ博士： 電離放射線なので、ビームをユーザーから十分遮蔽する等、適切な安全対策は必要です。しかし問題は媒質修飾に必要な線量です。電子ビームによる水溶液電離能力は非常に効果的で、大線量を必要としません——これがまさに我々が架橋剤として利用しているものです。

Tech Briefs： 近い将来商業利用の見込みは？

コルマコフ博士： 業界の関心は、我々が実証できる能力次第です。例えば3Dプリントでは、基板からの層別剥離の信頼性向上が課題です。複雑なサブミクロン構造の3Dプリントを実証すれば、極微小造形向けに業界が関心を持つでしょう。継続して取り組んでいます。

Tech Briefs： 市販エネルギー源で実現可能？

コルマコフ博士： その通り！それが目標でした。標準走査/透過電子顕微鏡を扱う世界中の数千人の研究者コミュニティ、およびX線顕微鏡（新産業）を持つ研究者たち——最近ラボで利用可能になりました——に実証したかった。我々が使う機器は全て市販品です。ごくシンプルなカスタムセットアップを追加しただけ。したがって大規模実装は確実に可能です。さらに顕微鏡自体の新展開もあり、一部企業が大気環境（空気中）で動作可能な電子顕微鏡製造に関心を示しています。そうなればさらに容易になり、サンプルを顕微鏡下の空気中に置くだけで済みます。

Tech Briefs： このプロジェクトで最もワクワクすることは？

コルマコフ博士： これは全く新しい技術で、我々がそのまさに始まりに関わっていることです。熱意あるパートナーと十分なリソース・マンパワーを見つけ、前進させたいと願っています。

Tech Briefs： 商業企業と協力して技術実装することは可能？

コルマコフ博士： ぜひ喜んで。NISTの使命は産業界の新技術・計量標準開発を支援することです。

Tech Briefs： 多くの人が関心を持つはずです。

コルマコフ博士： その通り。バイオロジストとプリントコミュニティが関心を持つでしょう。例：現在の3Dバイオプリンティングでは組織工学向けにセンチメートルサイズのゲル構造を作っています。しかし細胞レベル、あるいは細胞*内部*へのプリントニーズもありますが、それはまだSFです。市場はまだなく、ほぼオープンスペース。誰かが人工細胞内ゲル構造の市場性あるアイデアを出せば、業界はより関心を持つでしょう。我々は早すぎるのかもしれません。

Tech Briefs： 予測できる市場は？

コルマコフ博士： 面白いと思うのは、脳-コンピュータインターフェースへの接続です。二大課題があります。一つは脳組織を傷つけない柔らかい電極開発、もう一つはそれら電極を脳へ届けることです。

Tech Briefs： イーロン・マスクがそれについて語っていましたね。

コルマコフ博士： はい。問題は彼らが古い技術を使っていること。電極は固体——あまり柔軟ではなく、組織にあまり優しくない。二つ目は頭蓋骨手術で電極を埋め込む必要がある。我々の手法では、電極をより薄く、より柔軟に、より生体親和的に作れます。また電子的・イオン的信号伝達が可能で、光学的にも透明なので光学信号もやり取り可能。私の見解では、脳活動イメージングにおいてこれ以上の展望はありません。おそらく最もホットな応用です。実質的にソフトエレクトロニクス研究者全員が脳-コンピュータインターフェースを念頭に置いています。最初は機能喪失者（例：麻痺）向け——彼らは切実だから。だが最終的には——第二の脳を手に入れられる想像をしてみてください。

SFと現実のギャップは今、非常に小さいと思います……これは巨大な分野で、我々の貢献はごく小さなものです。脳が生成する信号を読み取り始めて多くを学びました。脳理解は既にコンピューティングのあり方を変え、ニューロモルフィックコンピューティングという新技術の幕開けをもたらしました。通常の半導体素子、メモリスタなどを使いながら、全く異なるアーキテクチャ、言語、さらには論理で動作するコンピューターを作ろうとしています。よりデジタルではなく、アナログとパターン認識に近く、メモリスタなどではなくソフト材料を使うかもしれません。

本インタビューの編集版は2020年12月号Tech Briefsに掲載されました。