美國紐約市立大學研究生中心高級科學研究中心(CUNY ASRC)和西北大學的研究人員已經(jīng)制造出一種4-D打印機，能夠構(gòu)建圖案表面，重現(xiàn)細胞表面的復雜性。在《自然通訊》最新發(fā)表的一篇論文中詳細介紹了這項技術，它使科學家能夠?qū)⒂袡C化學、表面科學和納米光刻術結(jié)合起來，構(gòu)建出精確設計的納米修飾表面，這些表面上裝飾著精致的有機或生物分子。這些表面將有廣泛的用途，包括藥物研究，生物傳感器的發(fā)展，和先進的光學。重要的是，這項技術可以用不同的材料創(chuàng)建表面，這些材料可以在表面上形成圖案，而不需要使用昂貴的掩模或繁瑣的潔凈室工藝。

“經(jīng)常有人問我是否用過這種儀器打印出了某種特定的化學物質(zhì)，或者準備了某種特定的系統(tǒng)，”該研究的首席研究員亞當·布勞恩施威格(Adam Braunschweig)說。布勞恩施威格是紐約城市大學(CUNY) ASRC納米科學計劃(ASRC Nanoscience Initiative)、研究生中心(Graduate Center)和亨特學院(Hunter College)化學系的教員。“我的回答是，我們創(chuàng)造了一種新的工具，可以在表面上進行有機化學反應，它的使用和應用僅僅受到用戶想象力和他們對有機化學知識的限制?！?/p>

這種被稱為聚合物刷超表面光刻術的印刷方法，結(jié)合了微流體學、有機光化學和先進的納米光刻術，創(chuàng)造了一種無掩模打印機，能夠制備精細的有機和生物物質(zhì)的多路復用陣列。該新系統(tǒng)克服了其他生物材料打印技術的許多限制，允許研究人員在每個體素上創(chuàng)建具有精確結(jié)構(gòu)物質(zhì)和定制化學成分的4-D對象，作者將這種能力稱為“超表面光刻”。

“研究人員一直致力于使用平版印刷技術來用生物分子來塑造表面，但到目前為止，我們還沒有開發(fā)出一個足夠復雜的系統(tǒng)來構(gòu)建像細胞表面這樣復雜的東西，”布勞恩斯威格實驗室的研究生中心、城市大學博士生丹尼爾·瓦勒斯(Daniel Valles)說?！拔覀冊O想用這個系統(tǒng)來組裝合成細胞，使研究人員能夠復制和理解活細胞上發(fā)生的相互作用，這將導致藥物和其他生物技術的快速發(fā)展?！?/p>

作為概念驗證，研究人員使用精確劑量的光打印聚合物刷模式，以控制每個像素的聚合物高度。正如自由女神的圖像所示，微流體和光源之間的協(xié)調(diào)控制著每個像素處的化學成分。

“聚合物化學提供了一套如此強大的工具，在整個上個世紀，聚合物化學的創(chuàng)新一直是技術的主要驅(qū)動力，”論文的合著者Nathan Gianneschi說，他是西北大學雅各布&羅莎琳科恩化學、材料科學與工程和生物醫(yī)學工程的教授?！斑@項工作將這種創(chuàng)新擴展到界面上，在這種界面上，任意結(jié)構(gòu)都可以用一種高度受控的方式來制造，而且這種方式允許我們描述我們所制造的東西，并將其推廣到其他聚合物上?！?/p>

“這篇論文是一個環(huán)力演示與大規(guī)模并行光刻工具能做些什么,”查德墨金說,喬治·b·Rathmann化學教授,西北大學國際納米技術研究所主任Weinberg藝術與科學學院,不是研究的合著者?！奥?lián)合作者已經(jīng)創(chuàng)造了一套強大的能力，應該在化學、材料科學和生物領域得到廣泛利用。”

研究人員計劃繼續(xù)開發(fā)這種新型的打印平臺，以提高系統(tǒng)速度，降低像素尺寸，并開發(fā)新的化學物質(zhì)，以增加可以形成圖案的材料范圍。目前，他們正在利用這個平臺創(chuàng)建的模式來理解生物系統(tǒng)中指示識別的微妙交互作用。