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.

Сложное изображение (портрет Аполлона), напечатанное комбинацией положительных и отрицательных заряженных "наночернил". a – оптическая микрофотография, b – скетч статуи с разметкой полос, c – трёхмерный снимок участка, отмеченного на рисунке a красным со шкалой зарядов, d – снимок сканирующего электронного микроскопа, показывающий распределение заряженных частиц (фото и иллюстрации Jang-Ung Park et al./Nano Letters).

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".

Электрический потенциал между широким (слева) и узким (справа) наконечником принтера и подложкой (она расположена внизу). В обоих случаях "бумага" заземлена, а к наконечникам приложено одинаковое напряжение (иллюстрация Jang-Ung Park et al./Nature Materials).

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.

Специалисты из США и Южной Кореи показали, что технология e-jet (на рисунке показан общий её принцип) пригодна для печати проводящими и изолирующими полимерами, кремниевыми наночастицами и стержнями, углеродными нанотрубками и так далее (иллюстрация Jang-Ung Park et al./Nano Letters).

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.

Витрувианский человек – оригинальный рисунок великого Леонардо да Винчи и его миниатюрная копия, созданная недавно при помощи e-jet (отмечено распределение положительных и отрицательных зарядов). В роли краски в данном случае выступал полиуретан, но авторы технологии особо подчёркивают широчайший список материалов, пригодных для такого "рисования" (фото wikipedia.org, Jang-Ung Park et al./Nano Letters).

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.

Портрет, напечатанный новым способом ещё пару лет назад. В роли чернил – взвесь однослойных углеродных нанотрубок с набором добавок, облегчающих соединение с подложкой. Диаметр отдельных точек изображения – 2 микрометра (иллюстрация Jang-Ung Park et al./Nature Materials).

"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".