图片：一个预期的生物相容性界面图示表明，可以通过电子束或X射线束将3D打印过程生成的水凝胶（绿色管）充当人工突触或连接点，将神经元（棕色）连接到电极（黄色）。

美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员研发出一种使用3D打印凝胶和其他软材料的新技术，它具有创建纳米级精度的复杂结构的潜力，该研究成果被发表在一篇最新的论文中。由于许多凝胶与活细胞兼容，因此这种新方法可以加速柔性微型医疗设备的生产，例如药物输送系统或可以插入人体的柔性电极。

标准的3D打印机制造实体结构的原理是通过制造材料薄片（通常是塑料或橡胶）并逐层地构建它们（像做千层面一样），直到整个对象被创建完毕。

使用3D打印机打印由凝胶制成的物体是一个“更精致的烹饪过程”，NIST研究人员Andrei Kolmakov形容到。在标准方法中，3D打印机的内部充满了溶解在水中的长链聚合物（结合在一起的长链分子），然后加入“香料”，即对光很敏感的特殊分子。当3D打印机发出的光激活这些特殊分子时，它们就会将聚合物链缝合在一起，使其形成蓬松的网状结构。这种被液态水包围着的结构就是凝胶支架。

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通常情况下，现代3D凝胶打印机已使用紫外线或可见激光来促进凝胶支架的形成。然而，Kolmakov和他的同事们将注意力集中在一种不同的3D打印技术上，即运用电子束或X射线来制造凝胶。因为这类辐射比紫外线和可见光具有更高的能量或更短的波长，所以这些光束可以更集中地聚焦，从而产生更具精细结构的凝胶。这种精细度正是许多组织工程学及医疗和生物应用所需要的。同时，电子束和X射线还提供了第二个优势：它们不需要一组特殊的分子来促进凝胶的形成。但是目前，这种紧密聚焦的短波长辐射源（扫描电子显微镜和X射线显微镜）只能在真空中工作。这是一个问题，因为在真空中，每个腔室中的液体都会蒸发而不是形成凝胶。

Kolmakov和他的同事与意大利Elettra Sincrotrone Trieste研究中心的研究员们一起解决了这个问题，他们通过在真空和液体腔室之间放置一个超薄的隔离层（氮化硅薄片）来展示液体中的3D凝胶打印。薄片可防止液体蒸发（通常在真空中会这样做），同时允许X射线和电子束渗透到液体中。该方法使得科研人员能够使用3D打印来创建结构小至100nm的凝胶——这大约比人类的头发细1000倍。通过完善这一方法，研究人员希望能在凝胶上印制出小至50nm的结构，也就是一个小型病毒的大小。

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用这种方法制造的一些新型结构可能包括用于监测大脑活动的柔性可注射电极、用于病毒检测的生物传感器、软微型机器人，以及可以模拟活细胞并与其相互作用、为其生长提供培养基的结构。

“我们正在将新工具——在液体中工作的电子束和X射线——引入软材料的3D打印技术，”Kolmakov说。他和他的合作者于9月16日在线发表在ACS Nano上的一篇文章中详细描述了他们的工作。

文献：

Tanya Gupta, Evgheni Strelcov, Glenn Holland, Joshua Schumacher, Yang Yang, Mandy Esch, Vladimir Aksyuk, Patrick Zeller, Matteo Amati, Luca Gregoratti and Andrei Kolmakov.Electron and X-ray Focus Beam Induced Crosslinking in Liquids: Toward Rapid Continuous 3D Nanoprinting of Soft Materials.ACS Nano. 在线发表于2020年9月16日. DOI: 10.1021/acsnano.0c04266