Скелет мамонта, ушные раковины и детали для ракетных двигателей – ученые постоянно что-то создают с помощью 3D-принтера. Используя чернила из различных химических соединений, специалисты могут получать сложные по форме и структуре объекты, в том числе в медицине. Например, недавно российские химики разработали новые материалы для мягкой робототехники методом 3D-печати. На их основе можно делать имплантаты, «умные» контейнеры для доставки лекарств и даже выращивать целые органы.
Об этом рассказала лауреат гранта Президента Российской Федерации для молодых ученых 2021-2022 гг., старший научный сотрудник Московского государственного технического университета (МГТУ) им. Баумана, научный сотрудник Московского физико-технического института (МФТИ) Софья Морозова.
Форма воды
Для получения материалов с особыми свойствами с помощью 3D-печати ученые разработали специальный гель: при выдавливании (или при любом ином механическом воздействии на него) вещество ведет себя как жидкость, но, оказавшись уже на подложке, становится твердым. Такого эффекта удалось добиться благодаря составу, а именно – желатину, наполненному наночастицами целлюлозы.
Дело в том, что эти частицы анизотропны. То есть имеют разные свойства в зависимости от направления. Например, шар – это изотропная фигура (симметричная по трем направлениям), а звезда или треугольник – анизотропная. Авторы проекта подобрали такие условия, при которых наночастицы выстраиваются вдоль направления печати и формируют анизотропию уже в готовом материале. В ходе экспериментов исследователи напечатали несколько образцов в виде тонких листов, наложенных крест-накрест. При погружении в воду они скручивались, образуя цветок. А когда их доставали и высушивали, исходная форма полностью восстанавливалась.
«В нашей работе мы показали, что такие напечатанные образцы за счет возникновения в них анизотропного набухания реагируют на растворитель, в том числе воду, и могут обратимо менять свою форму. Получается, что мы можем программировать их движение», – объясняет кандидат химических наук Софья Морозова.
В будущем из таких материалов можно будет создавать гибкие оболочки для доставки лекарств в организме. Они не токсичны и биосовместимы за счет состава из природных компонентов.
«Это также имеет большое значение для мягкой робототехники, когда нужно перемещать, например, клетки, органеллы или другие очень хрупкие элементы. Они могут разрушиться, если будут переноситься с помощью металлических или пластмассовых инструментов», – отмечает химик.
Кроме того, гель состоит из волокон и хорошо имитирует строение, а также механические свойства тканей человека, значит – подойдет для разработки имплантатов сложной формы.
Идеальный образец
Чтобы создать вещества с такими «подвижными» свойствами с помощью 3D-печати, по словам специалиста, важно подобрать правильную концентрацию компонентов. Гель должен легко проходить через принтер, не быть слишком вязким или слишком жидким. В этом случае он хоть и легко проходит через устройство, но теряется тот самый эффект изменения формы.
Далее чернила помещали в шприц на принтере и наблюдали, насколько идеальную форму принимает конечный продукт. Обычно он выглядит как полупрозрачный лист светло-голубого цвета, немного напоминающий медузу. Чтобы «закрепить» расположение наночастиц, материал облучали с помощью ультрафиолета.
В процессе ученые сделали интересное наблюдение: нагревая только некоторые участки, можно чередовать упорядоченные наночастицы с неупорядоченными. В первом случае они выстраиваются в одном направлении. Во втором – расположены хаотично: представьте себе гнездо или брошенную кучу спичек. В этих областях уже нет анизотропии, они не поддаются деформации. В итоге получаются предметы сложной формы, например, спирали.
Работа началась в 2020 году на базе университета ИТМО в Санкт-Петербурге и МГТУ им. Баумана в Москве с участием международных специалистов Университета Торонто. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда, номер проекта 21-79-20113.
Вырастить печень
Сейчас авторы проекта изучают на изотропных гелевых листах поведение клеток. Ожидается, что в такой среде они будут правильно выстраиваться – по направлению наночастиц целлюлозы – и формировать связи друг с другом. В будущем технология позволит выращивать органы заданной формы.
«Еще одно преимущество этого метода в том, что, подбирая нужный состав и меняя полимер, мы можем решать, где и как использовать новые объекты: будет ли это «умный» контейнер для доставки лекарств, имплантат или материал для роста клеток», – подчеркивает Софья Морозова.
Пока работа находится на начальном этапе. По словам автора проекта, необходимо провести серию биологических исследований, прежде чем вводить эту технологию в практику.
Уже полученные результаты положили начало другим интересным экспериментам. В частности, специалисты также разработали наночастицы на основе изотропных сферических полимерных частиц латекса. Здесь с помощью 3D-печати удалось получить оптически активные покрытия – своего рода гелевые чернила, которые могут светиться при облучении монохроматическим светом разных длин волн. Такое свойство позволяет «рисовать» сложные узоры при нанесении уникальных меток на продукцию, что станет надежной защитой от контрафакта.
Анна Шиховец
