4D打印机技术助力新疗法的发展

美国纽约市立大学研究生中心高级科学研究中心(CUNY ASRC)和西北大学的研究人员已经制造出一种4-D打印机，能够构建图案表面，重现细胞表面的复杂性。在《自然通讯》最新发表的一篇论文中详细介绍了这项技术，它使科学家能够将有机化学、表面科学和纳米光刻术结合起来，构建出精确设计的纳米修饰表面，这些表面上装饰着精致的有机或生物分子。这些表面将有广泛的用途，包括药物研究，生物传感器的发展，和先进的光学。重要的是，这项技术可以用不同的材料创建表面，这些材料可以在表面上形成图案，而不需要使用昂贵的掩模或繁琐的洁净室工艺。

“经常有人问我是否用过这种仪器打印出了某种特定的化学物质，或者准备了某种特定的系统，”该研究的首席研究员亚当·布劳恩施威格(Adam Braunschweig)说。布劳恩施威格是纽约城市大学(CUNY) ASRC纳米科学计划(ASRC Nanoscience Initiative)、研究生中心(Graduate Center)和亨特学院(Hunter College)化学系的教员。“我的回答是，我们创造了一种新的工具，可以在表面上进行有机化学反应，它的使用和应用仅仅受到用户想象力和他们对有机化学知识的限制。”

这种被称为聚合物刷超表面光刻术的印刷方法，结合了微流体学、有机光化学和先进的纳米光刻术，创造了一种无掩模打印机，能够制备精细的有机和生物物质的多路复用阵列。该新系统克服了其他生物材料打印技术的许多限制，允许研究人员在每个体素上创建具有精确结构物质和定制化学成分的4-D对象，作者将这种能力称为“超表面光刻”。

“研究人员一直致力于使用平版印刷技术来用生物分子来塑造表面，但到目前为止，我们还没有开发出一个足够复杂的系统来构建像细胞表面这样复杂的东西，”布劳恩斯威格实验室的研究生中心、城市大学博士生丹尼尔·瓦勒斯(Daniel Valles)说。“我们设想用这个系统来组装合成细胞，使研究人员能够复制和理解活细胞上发生的相互作用，这将导致药物和其他生物技术的快速发展。”

作为概念验证，研究人员使用精确剂量的光打印聚合物刷模式，以控制每个像素的聚合物高度。正如自由女神的图像所示，微流体和光源之间的协调控制着每个像素处的化学成分。

“聚合物化学提供了一套如此强大的工具，在整个上个世纪，聚合物化学的创新一直是技术的主要驱动力，”论文的合著者Nathan Gianneschi说，他是西北大学雅各布&罗莎琳科恩化学、材料科学与工程和生物医学工程的教授。“这项工作将这种创新扩展到界面上，在这种界面上，任意结构都可以用一种高度受控的方式来制造，而且这种方式允许我们描述我们所制造的东西，并将其推广到其他聚合物上。”

“这篇论文是一个环力演示与大规模并行光刻工具能做些什么,”查德墨金说,乔治·b·Rathmann化学教授,西北大学国际纳米技术研究所主任Weinberg艺术与科学学院,不是研究的合著者。“联合作者已经创造了一套强大的能力，应该在化学、材料科学和生物领域得到广泛利用。”

研究人员计划继续开发这种新型的打印平台，以提高系统速度，降低像素尺寸，并开发新的化学物质，以增加可以形成图案的材料范围。目前，他们正在利用这个平台创建的模式来理解生物系统中指示识别的微妙交互作用。