Synapses artificielles imprimées en 3D

L’illustration d’une interface biocompatible prospective montre que les hydrogels (tubes verts), qui peuvent être générés par un processus d’impression 3D d’électrons ou de rayons X, agissent comme des synapses ou jonctions artificielles, connectant des neurones (marron) à des électrodes (jaunes). Crédit: A. Strelcov / NIST

Des chercheurs de l’Institut national des normes et de la technologie (NIST) ont développé une nouvelle méthode d’impression 3D de gels et d’autres matériaux souples. Publié dans un nouvel article, il a le potentiel de créer des structures complexes avec une précision à l’échelle nanométrique. Parce que de nombreux gels sont compatibles avec les cellules vivantes, la nouvelle méthode pourrait relancer la production de minuscules dispositifs médicaux mous tels que des systèmes d’administration de médicaments ou des électrodes flexibles qui peuvent être insérées dans le corps humain.

Une imprimante 3D standard crée des structures solides en créant des feuilles de matériau – généralement en plastique ou en caoutchouc – et en les construisant couche par couche, comme une lasagne, jusqu’à ce que l’objet entier soit créé.

Utiliser une imprimante 3D pour fabriquer un objet en gel est un «processus de cuisson un peu plus délicat», a déclaré le chercheur du NIST Andrei Kolmakov. Dans la méthode standard, la chambre de l’imprimante 3D est remplie d’une soupe de polymères à longue chaîne – de longs groupes de molécules liées entre elles – dissous dans l’eau. Ensuite, des «épices» sont ajoutées – des molécules spéciales sensibles à la lumière. Lorsque la lumière de l’imprimante 3D active ces molécules spéciales, elles cousent ensemble les chaînes de polymères afin qu’elles forment une structure pelucheuse en forme de trame. Cet échafaudage, toujours entouré d’eau liquide, est le gel.

En règle générale, les imprimantes à gel 3D modernes ont utilisé une lumière laser ultraviolette ou visible pour initier la formation de l’échafaudage de gel. Cependant, Kolmakov et ses collègues ont concentré leur attention sur une technique d’impression 3D différente pour fabriquer des gels, en utilisant des faisceaux d’électrons ou des rayons X. Parce que ces types de rayonnement ont une énergie plus élevée, ou une longueur d’onde plus courte, que la lumière ultraviolette et visible, ces faisceaux peuvent être plus étroitement focalisés et donc produire des gels avec des détails structurels plus fins. Un tel détail est exactement ce qui est nécessaire pour l’ingénierie tissulaire et de nombreuses autres applications médicales et biologiques. Les électrons et les rayons X offrent un deuxième avantage: ils ne nécessitent pas un ensemble spécial de molécules pour initier la formation de gels.

Mais à l’heure actuelle, les sources de ce rayonnement de courte longueur d’onde étroitement focalisé – microscopes électroniques à balayage et microscopes à rayons X – ne peuvent fonctionner que dans le vide. C’est un problème car sous vide, le liquide de chaque chambre s’évapore au lieu de former un gel.

Kolmakov et ses collègues du NIST et de l’Elettra Sincrotrone Trieste en Italie ont résolu le problème et démontré l’impression 3D sur gel dans des liquides en plaçant une barrière ultra-fine – une fine feuille de nitrure de silicium – entre le vide et la chambre à liquide. La feuille mince protège le liquide de l’évaporation (comme elle le ferait habituellement dans le vide) mais permet aux rayons X et aux électrons de pénétrer dans le liquide. La méthode a permis à l’équipe d’utiliser l’approche de l’impression 3D pour créer des gels avec des structures aussi petites que 100 nanomètres (nm) – environ 1000 fois plus minces qu’un cheveu humain. En affinant leur méthode, les chercheurs s’attendent à imprimer des structures sur des gels aussi petits que 50 nm, la taille d’un petit virus.

Certaines structures futures réalisées avec cette approche pourraient inclure des électrodes injectables flexibles pour surveiller l’activité cérébrale, des biocapteurs pour la détection de virus, des micro-robots souples et des structures capables d’émuler et d’interagir avec des cellules vivantes et de fournir un milieu pour leur croissance.

«Nous apportons de nouveaux outils – des faisceaux d’électrons et des rayons X fonctionnant dans des liquides – dans l’impression 3D de matériaux souples», a déclaré Kolmakov. Lui et ses collaborateurs ont décrit leur travail dans un article mis en ligne le 16 septembre 2020 dans ACS Nano.

Référence: «Réticulation induite par faisceau focalisé par électrons et rayons X dans les liquides: vers une nanoprinting 3D continue rapide et une interface utilisant des matériaux souples» par Tanya Gupta, Evgheni Strelcov, Glenn Holland, Joshua Schumacher, Yang Yang, Mandy B. Esch, Vladimir Aksyuk, Patrick Zeller, Matteo Amati, Luca Gregoratti et Andrei Kolmakov, 16 septembre 2020, ACS Nano.
DOI: 10.1021 / acsnano.0c04266