Энергоинформ /
Новости
/ Новости мира Технологий за 2010 год /
Универсальный нанопринтер печатает картины ДНК-чернилами
09.02.2010. Универсальный нанопринтер печатает картины ДНК-чернилами
Манипулировать элементами электронных схем, выкладывать в нужном порядке живые клетки или выращивать детали микромеханических устройств — соблазнительные задачи для нанопринтера. Однако до нынешнего момента камнями преткновения подобных разработок были разрешение и необходимость одинаково легко управляться со столь разными «чернилами».
Биотехнологическая ипостась струйной печати — одно из самых перспективных направлений развития техники. Общая идея: печать клетками вместо чернильных капель, позволяющая выкладывать из них слой за слоем кусочки живых тканей, а в конечном счёте — и целые органы.
Ранние опыты по струйной печати клетками показали, что метод работает, однако предельное разрешение и способность принтера к тонкой манипуляции с биологическим материалом — оставляли желать. И понятно почему: в качестве основы для первых струйных биологических принтеров брались принтеры обычные.
Далее технология развивалась, и всё же добраться до печати отдельными клетками не удавалось. Не зря даже самый свежий биопринтер использует в качестве капелек чернил конгломераты из сотен и тысяч клеток (это, впрочем, всё равно даёт великолепные результаты).
Наши новые герои придумали, как действительно рисовать едва ли не единичными клетками, и более того — скоплениями ДНК. Вернее, они разработали способ универсальной нанопечати, умеющей работать почти с любым исходным материалом — живым и нет, проводящим и изолирующим.
Столь яркое достижение продемонстрировали на днях Джон Роджерс (John Rogers), известный нам по бионическому глазу и нанотрубочному транзистору, совместно со своими коллегами из университета Иллинойса, национальной лаборатории Аргонн (Argonne National Laboratory) и корейского университета Ханяна (Hanyang University).
Их разработка называется электрогидродинамический струйный принтер (e-jet printer). В первом своём варианте он появился ещё в 2007 году (о чём экспериментаторы отчитывались в статье в Nature Materials). Потому сперва стоит разобраться с базовыми принципами его работы.
Вместо того чтобы пытаться ещё сильнее уменьшить диаметр сопла для краски, физики решили сокращать поперечник непосредственно струи. А для этого выбрали необычный метод формирования потока материала. Они приложили напряжение между наконечником принтера и «бумагой».
Сильное электрическое поле вызвало в жидком составе перераспределение зарядов, «краска» сформировала на конце сопла мениск, который вытянулся конусом в сторону подложки. Конус этот в свою очередь обратился очень узкой струйкой вещества, которая и оставила на поверхности крошечный след.
Так было достигнуто разрешение меньше микрометра, а главное — в роли чернил теперь могли выступать самые различные материалы, взвешенные в воде или иной жидкости.
Правда, обнаружилась и проблема: каждая капля такой краски уносила к «бумаге» электрический заряд, в результате чего заряжалось конечное изделие, равно как формировался дисбаланс зарядов в «краске».
Теперь учёные нашли выход из положения. Они показали, что управляющий принтером компьютер может на лету мгновенно менять полярность напряжения между основой и чернилами. И этим достигаются сразу два эффекта.
Во-первых, общий заряд компенсируется. А во-вторых, появляется возможность с высокой точностью наносить на «бумагу» рисунки с чередованием по-разному заряженных линий и точек. Если затем на такую поверхность нанести взвеси заряженных частиц, они сами соберутся в предопределённом порядке. А это почти готовая технология монтажа различных схем с нанометровыми элементами. Точно так же, как данный принцип позволит манипулировать клетками, уверен Роджерс.
В новых опытах в качестве краски учёные попеременно использовали полимеры, суспензии наночастиц серебра и нанопроводки, и даже растворы ДНК. Из них экспериментаторы составляли линии и точки, формирующие различные картины. Мелкие детали таких изображений варьировались в поперечнике от нескольких микрометров до 100 нанометров (детали же исследования изложены в статье в Nano Letters).
Кроме того, авторы системы показали на опыте, что могут настраивать свойства транзисторов на кремниевой мембране, рисуя на ней картинки из положительных и отрицательных зарядов. И вдобавок они установили, что размер точек изображения можно менять, корректируя электрический потенциал и давление воздуха в системе.
Учёные отмечают, что идея e-jet напоминает принцип электрографических копировальных аппаратов (ксероксов). Но последние не могут похвастать таким разрешением (техника e-jet фактически готова двинуться в нанометровый диапазон), к тому же ксерокопировальная технология накладывает ограничения на материал тонера и бумаги, в то время как e-jet лоялен и к первому, и ко второму — в их роли может выступать почти что угодно.
«Это открытие может быть полезным для непрямой (читай — бережной) манипуляции клетками», — радуется достижению Владимир Миронов из медицинского университета Южной Каролины, в данной работе участие не принимавший.
Владимир знает, о чём говорит, — он не один год занимается похожими экспериментами, в частности нам он известен по проекту выращивания искусственного мяса, а также исследованиям в области всё тех же струйных биопринтеров.
Положительную оценку опыты Роджерса со товарищи получили и от профессора Хейко Джейкобса (Heiko Jacobs) из университета Миннесоты, который сам работает в области фабрикации микро- и наноразмерных устройств: «С помощью этого метода можно в разных областях создавать слои зарядов с хорошим пространственным разрешением, а затем изучать, как эти заряды воздействуют на окружающую среду. Метод может быть применён к чему угодно — от культур клеток до интегральных схем».
Источник: membrana
