开创液态环境下电子束3D打印微凝胶结构

NIST的Andrei Kolmakov博士及研究团队开发出一种在液体中用电子束3D打印微型凝胶结构的方法——此前该方法仅限于固体。

Andrei Kolmakov博士：我们的项目之一是在非寻常环境下使用电子显微镜。电子显微镜通常在真空工作。但在电池、催化、半导体行业等许多过程中，你想观察高压气体或液体环境中的物体。电子显微镜难以做到，因为电子束穿透致密材料深度有限。

Tech Briefs： 是什么让你对这个项目感兴趣？

作为研究一部分，我们在开发不同应用的电子成像技术。一次材料研究学会（MRS）会议上，我注意到一个生物相关展台，挤出式打印机通过挤出少量液态凝胶，经紫外光固化凝胶化打印水凝胶。我立刻觉得我们在液体电子显微镜方面的工作可用于打印凝胶。对我们而言，在液体或液体凝胶前驱体中成像或操作无区别。

下周，我和博士后做可行性测试，惊讶地发现很容易。于是我们决定这可能是大突破。我们花了一年多做各种测试、开发技术，就这样成了。

挑战在于我们对该过程知之甚少。交联研究——利用电子、伽马射线或X射线从小前体形成大分子——基本源于1960年代辐射物理学。但我们之前，无人用高聚焦低能电子束做此类过程。我们认为这可在合成、光刻甚至3D打印开新门。

Tech Briefs： 凝胶通常如何制造？

Kolmakov博士：商用凝胶打印机通常用紫外光。但分辨率远低于我们。它们典型特征尺寸毫米级，我们可达纳米级——小百万倍。

标准3D打印工作方式：液态熔融塑料或生物打印的液态凝胶前驱溶液，因粘稠可缓慢通过喷嘴挤出。移动喷嘴可控制地铺设挤出液。再用紫外光固化固化层。溶液须嵌入引发剂等特殊化学品，经紫外辐射使其固化。必须用这些化学品，因为普通凝胶对光无反应，是透明的。

我们既不用喷嘴也不用引发剂。只用液体前驱体本身，因为电子束本身在水中即可引发。

凝胶前驱溶液是水溶液，包含化学连接的超长分子集合。注水则因水填充分子间隙而膨胀；干燥则收缩。

典型凝胶应用如隐形眼镜。但生物学特别需要制造更复杂结构。例如制造人工器官如耳朵，可用凝胶做支架，植入生物细胞使其粘附生长。这也是生物产业关注此类技术的原因。

想象你想制造极小结构，基本达单个生物细胞级别。或想与细胞建立电接触传递信号。必须温和操作，不干扰细胞，因生物细胞极脆弱。尝试用导线连接可能具破坏性。我们能制造极小凝胶，以极高精度制造极小接触。这得益于电子束能聚焦极小区域。

另一点，前述引发剂化学品常有毒。用最先进双光子3D打印技术打印极小结构，须提高引发剂浓度，使凝胶对细胞材料更毒。我们无毒引发剂即可制造极小特征。

Tech Briefs： 让我确认基本过程。你用凝胶3D打印——在基底沉积凝胶。是这样吗？

Kolmakov博士：详述过程。设想标准扫描电子显微镜。真空室内有极细电子束，可小至3纳米。样品在真空室内，扫描束面获取信号成像。或想制造东西，可铺设材料层——半导体行业常用——铺设光刻胶薄膜。用电子束在固体薄膜上化学修饰图案，后用特殊化学品处理去除。得到样品表面图案。这是标准电子显微镜和电子光刻程序。

这对固体薄膜或物体适用，但我们想在液体中做类似事。问题在于液体在真空不稳定，会蒸发。显微镜会污染——代价高昂。

为应对挑战，我们用极薄膜，10纳米量级。材料为氮化硅，标准半导体材料。膜极薄，电子穿透仅少量散射衰减，但气体液体不能穿透。我们用此技巧将束送入液体。通过制造带氮化硅窗的小型次级室，注入凝胶形成液体前驱体。再用电子极精确辐射液体，创建特定图案。电子束击中区域液体化学修饰，形成凝胶。

这是核心思路：以此方式创建软层。随后可剥离，因其形成极靠近膜。接着生长第二层、剥离、第三层……这是目标——用电子束在液体中逐层创建凝胶结构。

Tech Briefs： 所以凝胶按特定图案铺设？

Kolmakov博士：是。目前未创建极复杂结构。但演示了可能的简单结构。重要的是也演示了剥离方式。3D打印时首层与膜剥离成问题，因会粘连。须创建剥离程序，才能在首层上写第二层。

Tech Briefs： 凝胶是可植入生物细胞或传感器的基础结构？

Kolmakov博士：是，凝胶用途广。如导电凝胶可作电接触。或因透明可制光纤。有些凝胶可对特定刺激响应。如可对温度或pH敏感。通过修饰凝胶分子可创建多功能。这样可构建功能性物体如纳米游泳器或软微机器人。

Tech Briefs： 电子束完成所有修饰？

Kolmakov博士：不，目前电子束仅造型。

Tech Briefs： 那其他功能如何实现？

Kolmakov博士：将功能引入凝胶本身。如我们想感测湿度且极小。在溶液加入金纳米颗粒，书写过程中将颗粒封装进凝胶结构。

Tech Briefs： 即将颗粒混入混合物，再用电子束造型。

Kolmakov博士：是，颗粒现封装在凝胶内。凝胶材料尺寸对湿度极敏感。设干燥收缩、潮湿膨胀。则嵌入颗粒间距随湿度变化。可通过监测复合凝胶颜色测定湿度。技术称表面等离子激发。观察材料光谱确定颗粒间距。这是简单湿度监测法。但可做更多。如改变凝胶分子使其对pH响应。可造酸度变化时移动的机器人。纳米游泳机器人插入身体特定区域，随溶液pH变化移动。优势在于不同于当前技术，我们能制造极小结构——甚至比细胞还小。

Tech Briefs： 可用X射线代替电子束？

Kolmakov博士：很大程度上，用何种电离辐射无关紧要。电子束和X射线优势均在于可聚焦极小光斑——均可写极小结构。但X射线有自身优势。可改变束能量（波长）。因每种化学元素在特定波长吸收X射线，可赋予书写过程化学特异性。如调节X射线波长靠近或远离氧最大吸收点，可使含氧凝胶书写更浅或更深。

Tech Briefs： 但X射线更危险？

Kolmakov博士：属电离辐射，须采取适当安全措施，如充分屏蔽束保护用户。但关键是修饰介质所需剂量。电子束电离溶液中水极有效，不需大剂量——这正是我们用作交联剂的。

Tech Briefs： 近期会商业化应用？

Kolmakov博士：行业兴趣取决于我们能演示的能力。我认为3D打印主要挑战是仍需提高逐层从基底剥离的可靠性。一旦展示3D复杂亚微米结构，业界应对打印极小东西感兴趣。我们在继续努力。

Tech Briefs： 能用商用能源实现？

Kolmakov博士：正是！这是目标，向全球数千标准扫描/透射电子显微镜用户社区演示。也有X射线显微镜用户（新兴行业）——近期实验室可用。我们实验室所有机器均商用。仅加简单定制装置。绝对可大规模推广。更有显微镜新发展。一些公司有兴趣生产能在环境空气中工作的电子显微镜。那更容易，直接把样品放空气下显微镜。

Tech Briefs： 什么最让你兴奋？

Kolmakov博士：最兴奋的是这是全新技术，我们在最开始。愿寻得热情伙伴、足够资源和人力推进。

Tech Briefs： 能与商业公司合作实施技术？

Kolmakov博士：当然，我会很高兴。NIST使命是帮助产业开发新技术或计量。

Tech Briefs： 似乎会有很多人感兴趣。

Kolmakov博士：对，生物学家与打印界会感兴趣。如当前3D生物打印技术构建厘米级凝胶结构做组织工程。但也需打印极小结构，比如细胞级别、甚至细胞内部，那仍是科幻。暂无市场——几乎是开放空间。若有人提出人工亚细胞凝胶结构的可商业化想法，产业会更感兴趣。可能我们太早。

Tech Briefs： 能预测市场？

Kolmakov博士：我认为有趣的是将技术关联脑机接口。那有两大挑战。一是开发不损伤脑组织的软电极，二是将电极送入大脑。

Tech Briefs： 听埃隆·马斯克谈过这个。

Kolmakov博士：是。问题是他用老技术。电极是固态——不够柔韧——对组织不够友好。第二，须开颅手术植入电极。我们方法可制造更薄、更柔、更生物友好电极。且电极可传电子和离子信号，光学透明，可双向传光信号。依我之见，这比其他任何方案都更适合脑活动成像。可能是我能想象的最热门应用。实际上所有软电子从业者都关注脑机接口。初期针对失去机能如行动能力者，因他们绝望。但最终——想象你拥有第二大脑。

科幻与现实间差距极小……这是巨大领域，我们贡献极小。人们通过读取脑信号学到很多。理解大脑已改变计算方式，开启新技术：神经形态计算。人们尝试创建完全不同架构、语言、逻辑的计算机，仍用普通元件、常规半导体。会少数字化、更模拟和模式识别，可能用软材料替代无机晶体管或忆阻器等器件。

本访谈编辑版刊登于2020年12月Tech Briefs。