问答：微小凝胶结构的 3D 打印新方法

Andrei Kolmakov 博士和美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的一组研究人员开发了一种使用电子束 3D 打印液体中微小凝胶结构的方法——这种方法以前仅限于固体。

博士。安德烈·科尔马科夫： 我们正在进行的项目之一是在不寻常的环境中使用电子显微镜。电子显微镜通常在真空中工作。有许多过程，例如，在电池、催化和半导体行业中，您想要查看处于高压气体或液体环境中的物体。电子显微镜很难做到这一点，因为它不会深入到致密的材料中。

技术简介： 是什么让你对这个项目感兴趣？

作为我们研究的一部分，我们正在研究为不同应用开发电子成像能力的技术。有一次，在材料研究协会 (MRS) 的一次会议上，我注意到一个与生物相关的展览，其中一台挤出打印机通过挤出少量液体凝胶来打印水凝胶，这些液体凝胶在紫外光下会凝胶化 - 固化。我立刻觉得我们在液体电子显微镜方面的工作可能有助于打印凝胶。对我们来说，我们是在液体中还是在液体凝胶前体中成像或做某事并不重要。

接下来的一周，我和我的博士后做了一个测试，看看它是否可行，令我们惊讶的是，这很容易。所以，我们决定做一些大事。我们花了一年或更长时间进行不同类型的测试，开发这些技术，结果就是这样。

这很有挑战性，因为我们对我们的流程知之甚少。使用电子或伽马射线或 X 射线从液体、较小的前体中形成较大分子的交联研究基本上来自 1960 年代的辐射物理学。但在我们之前，没有人将高度聚焦的低能电子束用于这些过程。我们认为这可以为合成、光刻甚至 3D 打印打开一扇新的大门。

技术简介： 通常如何制作凝胶？

博士 科尔马科夫： 对于商用凝胶打印机，通常使用紫外线完成。但是，与我们相比，这些打印机的分辨率非常低。它们通常具有毫米级的特征尺寸，而我们可以达到纳米级——小一百万倍。

标准 3D 打印机的工作方式是你有一种液体：熔融塑料，或者生物打印机的液态凝胶前体溶液，由于它是粘性的，液体可以通过喷嘴缓慢挤出。您可以通过在表面上移动喷嘴以可控的方式粘贴挤出的液体。然后，您可以使用紫外线固化 - 固化 - 您制作的层。称为引发剂的特殊化学物质必须嵌入溶液中，以在紫外线照射下实现这种固化。你必须使用这些化学物质，因为通常的凝胶对光没有任何作用，它是透明的。

在我们的例子中，我们既不使用喷嘴也不使用引发剂。我们可以直接使用液态前体，因为电子束本身会在水中引发。

凝胶前体溶液是一组交联分子的水溶液——非常长的分子以化学方式连接在一起。你可以用水填充它，它会膨胀，因为水填充了分子之间的空间，或者你可以干燥它，它会收缩。

典型凝胶应用的一个例子是隐形眼镜。然而，存在制造更复杂结构的需求，特别是在生物学中。例如，如果你想制造人造器官，比如耳朵，你可以用凝胶制作支架，并在其中填充生物细胞，这些细胞会粘在凝胶上并在那里生长。这就是生物行业对这类技术感兴趣的原因。

现在想象一下，您想要制作一些非常小的东西，基本上是在单个生物细胞本身的水平上。或者说你想与细胞进行电接触，来回发送信号。你必须轻轻地做，不要过多地干扰细胞，因为生物细胞是一种非常脆弱的有机体。您可以尝试用电线连接它，但即使您轻轻地这样做也可能具有破坏性。在我们的案例中，我们能够生产出非常小的凝胶，以至于我们可以以极高的精度进行非常小的接触。我们可以这样做，因为电子束能够聚焦在非常非常小的区域上。

而且，另一件事，我之前提到的引发剂化学品通常是有毒的。如果你想使用最先进的双光子 3D 打印技术打印非常小的东西，你必须增加引发剂的浓度，这样凝胶对细胞材料的毒性就更大了。在我们的例子中，我们可以在不使用任何有毒引发剂的情况下制作极小的特征。

技术简介： 让我确保我遵循基本流程。在我看来，您使用凝胶进行 3D 打印——您将凝胶沉积在基材上。对吗？

博士 科尔马科夫： 让我更详细地描述这个过程。想象一下，你有一个标准的扫描电子显微镜。这是一个真空室，里面有非常非常细的电子束。光束可以小到三纳米。如果您的样品在真空室内，您可以扫描表面上的光束并从中获取信号，并从中获得图像。或者，如果你想制造一些东西，你可以放一层材料——人们将它用于半导体行业——你可以铺一层光刻胶。然后，您可以在该抗蚀剂上绘制一些东西，用电子束在固体薄膜上对其进行化学修饰，然后用特殊化学品对其进行处理以去除。然后你会在样品表面得到一个图案。这些是标准的电子显微镜和电子光刻程序。

这对固体薄膜或物体来说很好，但我们想在液体中做类似的事情。问题是液体不会在真空中持续存在，它们会蒸发。显微镜会被污染——而且非常昂贵。

为了应对这一挑战，我们使用了 10 纳米范围内的非常薄的薄膜。它由氮化硅制成，这是一种标准的半导体材料。膜非常薄，电子只需少量散射或衰减即可穿透它，而气体和液体则不能。我们使用这个技巧将光束传递到液体中。我们通过创建一个带有氮化硅窗口的小型辅助室并用液体前体填充凝胶形成来做到这一点。然后我们用电子非常精确地照射液体，创造出特定的图案。在电子束撞击的区域，液体发生化学改性，形成凝胶。

这是我们的主要想法：以这种方式创建软层。然后你可以将它分层，因为它是在非常非常靠近膜的地方形成的。之后，您开始生长第二层，分层，开始生长第三层，依此类推。这就是我们的目标——使用电子束在液体内部形成一层一层的凝胶结构。

技术简介： 那么，凝胶是以特定的模式放置的吗？

博士 科尔马科夫： 是的，到目前为止，我们还没有创造出极其复杂的结构。但是我们已经证明了可能的简单结构的种类。重要的是，我们还展示了可以进行分层的方式。当您进行 3D 打印时，第一层与膜的分层会成为一个问题，因为它会粘住。因此，您必须创建一个对其进行分层的程序，以便能够在第一层之上编写第二层。

技术简介： 凝胶是可以放置生物细胞或某种传感器的基本结构吗？

博士 科尔马科夫： 是的，使用凝胶你可以做很多事情。例如，导电凝胶可用作电触点。或者由于它们是透明的，它们可以用来制造光纤。此外，可以使一些凝胶对某些刺激产生反应。例如，它们可以对温度或 pH 值敏感。您可以通过修改凝胶的分子来创建许多功能。通过这种方式，您可以构建功能性物体，例如纳米游泳者或软微型机器人。

技术简介： 电子束是否进行所有这些修改？

博士 科尔马科夫： 不，到目前为止，电子束本身只是形成了一个形状。

技术简介： 那么，你如何做所有其他事情？

博士 科尔马科夫： 您将功能引入凝胶本身。例如，我们想要感应湿度，我们想要让传感器变得非常非常小。我们将金纳米粒子添加到溶液中，在写入过程中，我们将粒子封装在凝胶结构内。

技术简介： 所以，您是说将粒子放入混合物中，然后使用电子束制造结构。

博士 科尔马科夫： 是的，粒子现在被封装在凝胶内。凝胶材料的大小对湿度非常敏感。假设它在外面干燥时会收缩，而在潮湿或潮湿时会膨胀。然后，嵌入颗粒之间的距离会因为湿度变化而发生变化。然后，您可以通过监测复合凝胶的颜色来确定湿度。我们使用的技术称为等离子体激发。您可以查看材料的光谱并确定粒子之间的距离。因此，这是一种监测湿度的简单方法。但是你可以做很多其他的事情。例如，您可以更改凝胶分子本身，使其对 pH 值作出反应。然后，您可以制作像机器人一样的东西，当酸度变化时会移动。当溶液的 pH 值发生变化时，插入身体某些区域的纳米游泳机器人可以移动。优点是，与目前用于这些目的的其他技术不同，我们可以将结构做得非常小——我们实际上可以把它做得比电池本身还小。

技术简介： 你能用 X 射线代替电子束吗？

博士 科尔马科夫： 在很大程度上，我们使用什么样的电离辐射并不重要。电子束和 X 射线的好处是你可以将它们聚焦到一个非常非常小的点上——你可以使用它们中的任何一个来写出非常小的结构。然而，X 射线有其自身的优势。您可以通过改变光束的波长来改变光束的能量。由于每种化学元素都会吸收非常特定波长的 X 射线，因此您可以在写入过程中添加化学特异性。例如，如果您将 X 射线的波长调整为接近或远离最大氧气吸收点，您可以将含氧凝胶写得更浅或更深。

技术简介： 但它们不是更危险吗？

博士 科尔马科夫： 好吧，这是电离辐射，因此必须采取适当的安全措施，例如充分屏蔽用户的光束。但这是修改媒体所需剂量的问题。电子束电离溶液中水的能力非常有效，不需要大剂量——这正是我们用作交联剂的原因。

技术简介： 您认为这很快就会用于商业用途吗？

博士 科尔马科夫： 工业界对这项技术的兴趣将取决于我们可以展示的能力。我认为现在的主要挑战，例如在 3D 打印中，是我们仍然需要提高从基板上逐层分层的可靠性。因此，一旦我们展示了 3D 复杂的亚微米结构，工业界就应该对这种打印非常小的东西的技术感兴趣。我们正在继续努力。

技术简介： 这可以用市售的能源来完成吗？

博士 科尔马科夫： 确切地！这是我们的目标，我们想向使用标准扫描或透射电子显微镜的人们展示这一点，全世界有成千上万的人。此外，有些人拥有 X 射线显微镜（这是一个新兴行业）——他们最近可以用于实验室。我们实验室使用的所有机器都是商用的。我们刚刚添加了非常简单的定制设置。因此，绝对有可能大规模地做到这一点。更重要的是，显微镜本身也有了新的发展。一些公司已经对生产能够在周围环境（如空气）中运行的电子显微镜产生了兴趣。那会更容易，因为您只需将样品放在显微镜下的空气中即可。

技术简介： 这个项目最让你兴奋的是什么？

博士 科尔马科夫： 最让我兴奋的是，这是一项全新的技术，我们正处于起步阶段。我的愿望是找到热心的合作伙伴和足够的资源和人力来推动它。

技术简介： W您能否与商业公司合作实施您的技术？

博士。科尔马科夫： 当然，我会很高兴。我们在 NIST 的使命是帮助行业开发新技术或计量学。

技术简介： 在我看来，应该有很多人对此感兴趣。

博士。科尔马科夫： 是的，与印刷界合作的生物学家会感兴趣。例如，使用当前的 3D 生物打印技术，人们正在为组织工程构建厘米大小的凝胶结构。但是，也需要打印非常小的结构，比如说在单元格的级别，或者 inside 细胞，但这仍然是科幻小说。还没有市场——它几乎是一个开放的空间。如果有人想出一个可行的人造亚细胞凝胶结构的想法，工业界将变得更加感兴趣。可能是我们太早了。

技术简介： 你能预测任何市场吗？

博士。科尔马科夫： 嗯，我认为会很有趣的一件事是将我们的技术与计算机-大脑接口联系起来。那里有两个主要挑战。一是开发不会损伤脑组织的软电极，二是把这些电极输送到大脑中。

技术简介： 我听 Elon Musk 谈论过这个。

博士。科尔马科夫： 是的。问题是他使用的是较旧的技术。它们的电极是实心的——不是很灵活——对组织也不是非常友好。第二件事是他们必须在颅骨上进行手术以植入电极。我用我们的方法看到的是，我们可以使电极更薄、更灵活、更环保。此外，我们的电极可以传输电子和离子信号，并且是光学透明的，因此它们可以来回传输光信号。所以，在我看来，这对于大脑活动成像来说是一个比其他任何东西都更好的前景。这可能是我能想象到的最热门的应用程序。现在几乎每个从事软电子产品工作的人都在牢记脑机接口。最初，这将是为那些因为绝望而失去一些功能的人，例如行动不便的人。但最终——想象一下你拥有第二个大脑。

我认为，现在科幻小说和现实之间有一个很小的差距……这是一个巨大的领域，我们所做的只是一个很小的贡献。通过开始阅读大脑产生的信号，人们学到了很多东西。了解大脑已经改变了我们进行计算的方式，并催生了一项新技术：神经形态计算。人们正在尝试创建具有完全不同的架构和语言甚至逻辑的计算机，以在仍然使用普通元件的同时使用通常的半导体。它将更少数字化，更多地用于模拟和模式识别，并且可能使用不同的材料，例如软材料，而不是无机晶体管或忆阻器等其他器件。

本次采访的编辑版本出现在 2020 年 12 月的《技术简报》中。