Laser, ciecz i nanocząstki. Tak powstają mikroroboty przyszłości

Rewolucja w druku 3D

Zespół naukowców z Instytutu Systemów Inteligentnych Maxa Plancka i Narodowego Uniwersytetu Singapuru zaprezentował rewolucyjną technikę druku 3D. Nowa metoda, nazwana optofluidyczną techniką mikro‑ i nanofabrykacji 3D, łączy drukowanie szablonu z fotopolimeru z późniejszym „dosypywaniem” do niego nanocząstek różnych materiałów.

Jak to działa?

Najpierw badacze drukują za pomocą tradycyjnej polimeryzacji dwufotonowej trójwymiarowy, porowaty szkielet o zadanym kształcie. Szkielet ten zostaje zanurzony w cieczy zawierającej cząstki materiału‑budulca. Następnie ultrakrótki impuls lasera podgrzewa miejscowo płyn, wywołując przepływy w skali mikrometrycznej. Te przepływy napędzają nanocząstki w stronę ścian szablonu. Następnie upakowują je w jego porach jak ziarna w mikroskopijnej formie odlewniczej.

Po zakończeniu procesu polimerowy szablon można usunąć, pozostawiając samonośną strukturę zbudowaną z gęsto upakowanych nanocząstek. Struktura jest stabilizowana głównie przez siły van der Waalsa. W razie potrzeby można ją dodatkowo wygrzać, by wzmocnić połączenia między cząstkami.

Jak podkreślają autorzy opublikowanej w Nature pracy, ta metoda „umożliwia szybkie i wysoce zlokalizowane składanie nanocząstek o zróżnicowanych kształtach i składzie – w tym metali, tlenków metali, nanomateriałów węglowych i kropek kwantowych – w złożone mikrostruktury 3D”.

Metoda ta umożliwia drukowanie struktur z szerokiej gamy materiałów, czasami nawet łączonych, przezwyciężając dotychczasowe ograniczenia polimerów. Technologia ta może być teraz wykorzystywana do konstruowania maleńkich mikrorobotów, które można sterować magnetycznie lub za pomocą światła.

– informuje Instytut Systemów Inteligentnych Maxa Plancka.

Metale zamiast plastiku

Dotychczas najważniejszą techniką druku 3D w mikroskali była dwufotonowa polimeryzacja. W praktyce ograniczała się ona prawie wyłącznie do fotopolimerów – materiałów światłoczułych, które twardnieją pod wpływem lasera. To właśnie tą metodą tworzono słynne, mikroskopijne wieże Eiffla czy miniaturowe rzeźby. Były one jednak wykonane tylko z samego „plastiku”.

Nowa technika przełamuje tę barierę materiałową. Szablon dalej powstaje z polimeru. Sama funkcjonalna część struktury budowana jest jednak z nanocząstek niemal dowolnego typu. Badacze pokazali, że mogą wykorzystywać metale, tlenki metali, materiały węglowe oraz półprzewodniki. Dodatkowo, można łączyć je w jednej, wielomateriałowej mikrostrukturze. Zamiast „drukować” materiał, naukowcy precyzyjnie go „składają”, sterując przepływami w porach szablonu.

Nowy druk 3D w medycynie

Dzięki nowej technice druku 3D możliwe jest tworzenie złożonych struktur w skali mikro- i nano-. Dotyczy to także urządzeń, które wcześniej były bardzo trudne lub wręcz niemożliwe do wykonania. Jako przykłady naukowcy wskazują m.in. mikroroboty złożone z kilku funkcjonalnych materiałów, trójwymiarowe zawory mikroprzepływowe do selektywnej separacji cząstek czy złożone mikrostruktury fotoniczne i sensoryczne.

To odkrycie otwiera nowe horyzonty w wielu dziedzinach. Szczególnie doniosłe znaczenie może ono mieć w medycynie i diagnostyce. Dzięki możliwości drukowania precyzyjnych zaworów i filtrów w mikroskali, przyszłe urządzenia diagnostyczne mogą stać się jeszcze bardziej złożone. A do tego, co nie mniej ważne, tańsze w produkcji.

Zawory drukowane w ten sposób mogłyby selektywnie sortować komórki, białka czy nośniki leków. W ten sposób powstałyby urządzenia do szybkiej diagnostyki przy łóżku pacjenta.

Mikroroboty, które niosą lek

Z kolei mikroroboty mogłyby w przyszłości pełnić rolę aktywnych nośników leków. Poruszałyby się one po krwiobiegu czy w płynach ustrojowych, docierających precyzyjnie do guza lub zmiany zapalnej. Dzięki wielomateriałowej konstrukcji jeden robot mógłby reagować na kilka bodźców naraz, np. pole magnetyczne, światło i skład chemiczny otoczenia.

To także szansa na powstanie nowej generacji mikrorobotów, zdolnych do poruszania się w trudno dostępnych miejscach – w glebie, tkankach, a nawet wewnątrz urządzeń. I to z poziomem kontroli dotąd zarezerwowanym dla dużo większych maszyn.

Możliwość trójwymiarowego rozmieszczania nanocząstek metali szlachetnych, półprzewodników czy tlenków oznacza, że optofluidyczny druk może stać się narzędziem do tworzenia miniaturowych elementów fotonicznych i elektronicznych. W praktyce mogą to być np. elementy pamięci optycznej, sensory gazów lub czujniki chemiczne.

Nasza nowa technologia pozwala nam formować maleńkie obiekty 3D z niemal każdego materiału. Otwiera to nowe możliwości dla wielofunkcyjnych mikrorobotów, technologii mikroskalowych i wielu innych zastosowań, które do dziś brzmią jak science fiction.

– podsumowuje Metin Sitti, były dyrektor departamentu w Instytucie Systemów Inteligentnych Maxa Plancka.

Co jeszcze ogranicza technologię

Na razie nowa technika pozostaje przede wszystkim demonstracją laboratoryjną. Kluczowym wyzwaniem będzie zwiększenie wydajności i skalowalności procesu. Naukowcy zwracają uwagę na potrzebę optymalizacji projektów szablonów, parametrów przepływu i skanowania laserowego, by uniknąć zatykania porów i zachować wysoką rozdzielczość.

Mimo to symulacje i pierwsze eksperymenty wskazują, że metoda może być w przyszłości łączona z innymi technikami druku 3D, tworząc hybrydowe linie produkcyjne dla mikro i nanourządzeń.

Przeczytaj również: Rewolucja w druku 3D: metal można wyhodować