Микроскульптуры, напечатанные на 3D-принтере с использованием передовых макромолекулярных «чернил»

Когда мы думаем о 3D-печати, мы часто вспоминаем горячие сопла, выбрасывающие расплавленный пластик. Другие популярные методы включают в себя просвечивание смолы ярким светом или использование лазеров для сплавления металлических порошков. Все эти методы отлично подходят для изготовления деталей сложной геометрии в настольных масштабах.

Однако 3D-печать также возможна и в микроскопических масштабах. Исследователи из Германии разработали усовершенствованные макромолекулярные «чернила», которые можно использовать для создания микроскопических 3D-скульптур с более точным контролем, чем когда-либо прежде.

Используя передовые технологии 3D-печати, команда Евы Бласко из Гейдельбергского университета успешно создала 3D-печатные структуры с тщательно разработанными молекулярными последовательностями. Этот метод повторяет точность, присущую полимерам в природе – подобно тому, как ДНК может кодировать точно определенные аминокислоты строгого состава.

Исследователи сначала тщательно спроектировали молекулярную последовательность своих чернил, стремясь получить беспрецедентный контроль над фундаментальными свойствами печатной продукции. Проще говоря, Бласко и ее команда работали над расположением молекул в произвольной последовательности для создания уникальных структур с точными свойствами.

Команда Бласко создала серию чернил, каждая из которых содержит уникальные перестановки восьми молекулярных единиц, чтобы наблюдать, как изменение последовательности влияет на свойства печатных структур. В научной литературе их называют полимерами с определенной последовательностью или полимерами с определенной макромолекулярной структурой. Они часто требуют сложного химического синтеза для производства молекул с точной желаемой структурой. Эти прецизионные молекулы могут найти более широкое применение в таких областях, как хранение данных, криптография или фармацевтические приложения, при условии, что исследователи смогут освоить свои манипуляции на молекулярном уровне.

В случае исследования Бласко целью было определить, могут ли макромолекулы с различной последовательностью создавать материалы с различными свойствами. Цель заключалась в том, чтобы точно спроектировать молекулы, подходящие для процесса 3D-печати, называемого двухфотонной лазерной печатью или 2PLP. В настоящее время популярный как инструмент для работы с микрофлюидикой и микрооптикой, его можно использовать для создания крошечных структур на микроскопическом уровне. Сфокусированный лазерный свет используется для многократной полимеризации материала в определенном месте для создания трехмерных структур. В настоящее время доступные в настоящее время коммерческие материалы для этого использования считаются неточными по составу. Таким образом, целью было создание молекулярно точных чернил для этого процесса полимеризации.

Исследовательская группа создала три различные последовательности макромолекул, используя (B) нефункциональные и фотосшиваемые (C) единицы. Использовались последовательности чередования (BCBCBCBC), триблока (CCBBBBCC) и блока (BBBBCCCC). Изменения в последовательности оказали прямое влияние на печатные свойства чернил из-за различных структур на молекулярном уровне.

Чернила использовались для печати различных микроструктур, механические и химические свойства которых затем оценивались. Это было достигнуто с помощью наноиндентирования и рамановской спектроскопии соответственно. Потребовалось некоторое мастерство как в синтезе, так и в управлении процессом лазерной печати, но команда смогла создать разнообразные структуры с использованием новых чернил.

Примечательно, что результаты показали, что чередующаяся структура имела лучшую печатаемость из трех протестированных. Блочная структура имела самый низкий модуль Юнга, уступая по характеристикам триблоку, при этом чередующаяся последовательность давала самый высокий результат и, таким образом, демонстрировала наибольшую жесткость. Между тем, химический анализ показал, что блочная структура требует самой высокой мощности лазера для создания стабильных структур, в то время как альтернативная версия дает стабильные отпечатки с более низкой мощностью лазера и меньшей степенью сшивки.

Вышеупомянутые первоначальные тесты были выполнены на простых структурах бакибола, напечатанных методом 2PLP. Однако, чтобы лучше продемонстрировать эффективность чернил, исследовательская группа также напечатала в 3D несколько более сложных структур, аналогично тому, как эталонная модель Benchy используется для получения целостного представления о производительности обычного 3D-принтера. Исследователи напечатали модель тукана, используя чернила с переменной структурой, демонстрируя большой выступ в 10 мкм на птичьем клюве. Чернила триблока использовались для печати коалы, демонстрируя мельчайшие детали меха, а модель кенгуру, напечатанная чернилами блока, снова демонстрировала удачные выступы и мелкие детали.