Ученые научились создавать трехмерные структуры в биосовместимых материалах с помощью лазерных импульсов

Взаимодействие света с веществом применяется повсеместно - в том числе и для создания структур на микро- и наномасштабе. К примеру, давно известна техника фотолитографии, с помощью которой создаются современные компьютерные чипы, а недавно стала набирать обороты и техника оптической 3D-печати с помощью фоточувствительных материалов. В новой работе исследователи из университета Туфтса разработали способ создания трехмерных объектов в толще мягкого биосовместимого материала - шелкового гидрогеля - воздействуя на него низкоэнергетическими короткими лазерными импульсами.

Схема эксперимента. Источник: Applegate et al. www.pnas.org/cgi/content/short/1509405112

Схема эксперимента. Источник: Applegate et al. www.pnas.org/cgi/content/short/1509405112

Предложенная техника использует широко известный эффект многофотонного поглощения света, при котором два и более низкоэнергетических фотонов одновременно поглощаются в материале. Чтобы этот процесс мог произойти, необходимо обеспечить высокую плотность фотонов в пучке, для чего прекрасно подходят ультракороткие лазерные импульсы. Если к тому же используемый материал прозрачен для лазерного излучения, становится возможным сфокусировать пучок в произвольном месте в толще материала, а не только "рисовать" по его поверхности (в отличие, например, он фотолитографии).

В эксперименте ученые использовали низкоэнергетические лазерные импульсы (2 наноджоуля на импульс) инфракрасного излучения на длине волны 810 нанометров, длительностью 100 фемтосекунд, которые бомбардировали выбранную точку материала 80 миллионов раз в секунду. Такая частота лазерных импульсов нужна была для того, чтобы накопить в фокусе лазера достаточное количество тепла, приводящего к разрыву связей в шелке и образовании в нем полостей. При этом максимальная глубина, на которой ученые смогли таким образом сформировать структуру, составила около 1 см от поверхности образца, что является рекордным на сегодняшний день показателем.

Изготовленные структуры. Источник: Applegate et al. www.pnas.org/cgi/content/short/1509405112

Изготовленные структуры.
Источник: Applegate et al. www.pnas.org/cgi/content/short/1509405112

Достигнутые с применением нового метода характеристики приятно удивляют - максимальное разрешение составляет около 5 микрометров, а объем самой малой созданной в геле полости - порядка 125 кубических микрометров. Кроме простейших прямых линий ученые изготовили объемные спирали и разветвленные структуры (подобные кровеносным сосудам). Затем ученые добавили на поверхность изготовленных структур клетки соединительной ткани человека и наблюдали за их ростом. При этом удалось установить, что полученная с помощью лазерной обработки структура задавала направление роста клеток. Вдобавок к этому ученые провели дополнительные эксперименты с имплантацией подобных структур мышам и обнаружили, что живые клетки их тканей также проникают внутрь структур.

Примеры изготовленных структур, заселенных клетками. Источник: Applegate et al. www.pnas.org/cgi/content/short/1509405112

Примеры изготовленных структур, заселенных клетками. Источник: Applegate et al. www.pnas.org/cgi/content/short/1509405112

Все это позволяет предполагать широкое использование нового метода в биомедицинских приложениях: фильтрации клеток, инженерии тканей и регенеративной медицине. А дальнейшее улучшение его характеристик, будь то разрешение или максимальная глубина проникновения, - всего лишь вопрос времени.

Источник: http://www.pnas.org/content/early/2015/09/14/1509405112

Одна из структур в 3D: http://movie-usa.glencoesoftware.com/video/10.1073/pnas.1509405112/video-1

Наше сообщество Вконтакте: https://vk.com/makeitquantum