Ricercatori presso l'Advanced Science Research Center presso il Graduate Center, CUNY (CUNY ASRC) e la Northwestern University hanno creato una stampante 4-D in grado di costruire superfici modellate che ricreano la complessità delle superfici cellulari. La tecnologia, dettagliato in un articolo appena pubblicato in Comunicazioni sulla natura , permette agli scienziati di combinare la chimica organica, scienza della superficie, e nanolitografia per costruire superfici nanomodellate progettate con precisione che sono decorate con delicate molecole organiche o biologiche. Le superfici avranno un'ampia varietà di usi, anche nella ricerca sui farmaci, sviluppo di biosensori, e ottica avanzata. È importante sottolineare che questa tecnologia può creare superfici con materiali diversi, e questi materiali possono essere modellati sulla superficie senza l'uso di costose fotomaschere o noiosi processi in camera bianca.

"Mi viene spesso chiesto se ho usato questo strumento per stampare una specifica sostanza chimica o preparare un particolare sistema, " ha detto il ricercatore principale dello studio Adam Braunschweig, un membro di facoltà con la CUNY ASRC Nanoscience Initiative e il Graduate Center e i dipartimenti di chimica dell'Hunter College. "La mia risposta è che abbiamo creato un nuovo strumento per eseguire la chimica organica sulle superfici, e il suo utilizzo e applicazione sono limitati solo dall'immaginazione dell'utente e dalla sua conoscenza della chimica organica."

Il metodo di stampa, chiamato Polymer Brush Hypersurface Photolitography, combina microfluidica, fotochimica organica, e nanolitografia avanzata per creare una stampante senza maschera in grado di preparare array multiplex di materia organica e biologica delicata. Il nuovo sistema supera una serie di limitazioni presenti in altre tecniche di stampa di biomateriali, consentendo ai ricercatori di creare oggetti 4-D con materia strutturata con precisione e composizione chimica su misura in ogni voxel, una capacità che gli autori chiamano "litografia dell'ipersuperficie".

"I ricercatori hanno lavorato per utilizzare tecniche litografiche per modellare le superfici con biomolecole, ma fino ad oggi non abbiamo sviluppato un sistema abbastanza sofisticato per costruire qualcosa di così complicato come una superficie cellulare, " ha detto Daniel Valles, un centro di laurea, Studente di dottorato CUNY nel laboratorio di Braunschweig. "Prevediamo di utilizzare questo sistema per assemblare cellule sintetiche che consentano ai ricercatori di replicare e comprendere le interazioni che si verificano sulle cellule viventi, che porterà al rapido sviluppo di farmaci e altre tecnologie bioispirate".

Come prova di concetto, i ricercatori hanno stampato modelli di pennelli polimerici utilizzando dosi precise di luce per controllare l'altezza del polimero in corrispondenza di ciascun pixel. Come illustrato dall'immagine di Lady Liberty, il coordinamento tra la microfluidica e la sorgente luminosa controlla la composizione chimica in ogni pixel.

"La chimica dei polimeri fornisce un insieme di strumenti così potente, e le innovazioni nella chimica dei polimeri sono stati i principali motori della tecnologia nel corso dell'ultimo secolo, " ha detto il coautore del giornale Nathan Gianneschi, chi è il professore di chimica Jacob &Rosaline Cohn, Scienza e ingegneria dei materiali, e ingegneria biomedica presso la Northwestern University. "Questo lavoro estende questa innovazione alle interfacce in cui è possibile realizzare strutture arbitrarie in modo altamente controllato, e in un modo che ci permetta di caratterizzare ciò che abbiamo realizzato e di generalizzarlo ad altri polimeri."

"Questo documento è una dimostrazione di forza di ciò che si può fare con strumenti di litografia massicciamente paralleli, "ha detto Chad Mirkin, George B. Rathmann, Professore di Chimica e direttore dell'International Institute for Nanotechnology presso il Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern University, chi non è coautore dello studio. "I coautori hanno creato un potente insieme di funzionalità che dovrebbero essere ampiamente utilizzate in tutta la chimica, scienza materiale, e comunità biologiche".

I ricercatori intendono continuare lo sviluppo di questa nuova piattaforma di stampa per aumentare la velocità del sistema, ridurre le dimensioni dei pixel, e sviluppare nuove chimiche per aumentare la portata dei materiali che possono essere modellati. Attualmente, stanno usando i modelli creati da questa piattaforma per comprendere le sottili interazioni che dettano il riconoscimento nei sistemi biologici.