Q&A:작은 젤 구조의 3D 프린팅을 위한 새로운 방법

Andrei Kolmakov 박사와 NIST(National Institute of Standards and Technology)의 연구원 팀은 이전에 고체로 제한되었던 방법인 전자빔을 사용하여 액체에서 작은 겔 구조를 3D 프린팅하는 방법을 개발했습니다.

박사. 안드레이 콜마코프: 우리가 진행 중인 프로젝트 중 하나는 특이한 환경에서 전자 현미경을 사용하는 것입니다. 전자 현미경은 일반적으로 진공 상태에서 작동합니다. 예를 들어 배터리, 촉매 및 반도체 산업에서 고압 가스 또는 액체 환경에 있는 물체를 확인하려는 프로세스가 많이 있습니다. 전자현미경으로는 밀도가 높은 물질을 너무 깊숙이 침투하지 않기 때문에 어렵습니다.

기술 요약: 이 프로젝트에 관심을 갖게 된 계기는 무엇인가요?

연구의 일환으로 우리는 다양한 응용 분야를 위한 전자 이미징 기능을 개발하는 기술을 연구하고 있었습니다. 한번은 MRS(Materials Research Society) 회의에서 압출 프린터가 소량의 액체 젤을 압출하여 하이드로겔을 인쇄하는 바이오 관련 전시회를 봤습니다. 나는 액체에서 전자현미경에 대한 우리의 연구가 겔 인쇄에 기여할 수 있다고 즉시 느꼈습니다. 액체 또는 액체 젤 전구체에서 이미징하거나 무언가를 하는 것은 중요하지 않습니다.

다음 주에 박사후 연구원과 나는 그것이 가능한지 알아보기 위해 테스트를 했고 놀랍게도 그것은 쉬웠습니다. 그래서 우리는 큰 일을 하기로 결정했습니다. 우리는 이러한 기술을 개발하고 다양한 종류의 테스트에 1년 이상을 보냈고 그렇게 되었습니다.

우리의 프로세스에 대해 많이 알려지지 않았기 때문에 어려웠습니다. 전자, 감마선 또는 X선을 사용하여 액체, 더 작은 전구체에서 더 큰 분자를 형성하는 가교에 대한 연구는 기본적으로 1960년대 방사선 물리학에서 비롯되었습니다. 그러나 우리 이전에는 이러한 종류의 프로세스에 고도로 집중된 저에너지 전자빔을 사용하는 사람이 없었습니다. 우리는 이것이 합성, 리소그래피 또는 3D 프린팅의 새로운 문을 열 수 있다고 결정했습니다.

기술 요약: 젤은 일반적으로 어떻게 만들어집니까?

박사 콜마코프: 상업용 젤 프린터의 경우 일반적으로 UV 조명으로 수행됩니다. 그러나 이러한 프린터는 우리에 비해 매우 낮은 해상도를 가지고 있습니다. 그것들은 일반적으로 밀리미터 피처 크기를 가지고 있지만 우리는 백만 배 더 작은 나노미터 수준으로 갈 수 있습니다.

표준 3D 프린터가 작동하는 방식은 액체가 있다는 것입니다. 용융 플라스틱 또는 바이오 프린터의 경우 액체 젤 전구체 용액이며 점성이 있기 때문에 액체가 노즐을 통해 천천히 압출될 수 있습니다. 노즐을 표면 위로 이동하여 압출된 액체를 제어 가능한 방식으로 붙여넣을 수 있습니다. 그런 다음 UV 광선을 사용하여 만든 레이어를 경화 - 굳힐 수 있습니다. 개시제(initiator)라고 하는 특수 화학물질이 용액에 포함되어야 UV 광 조사 시 이러한 종류의 응고가 가능합니다. 일반 젤은 빛으로 아무것도 하지 않고 투명하기 때문에 이러한 화학 물질을 사용해야 합니다.

우리의 경우 노즐이나 개시제를 사용하지 않습니다. 전자빔 자체가 물에서 개시를 하기 때문에 액체 전구체를 그대로 사용할 수 있습니다.

겔 전구체 용액은 화학적으로 함께 연결된 매우 긴 분자인 가교된 분자 앙상블의 수용액입니다. 물을 채우면 분자 사이에 물이 채워지기 때문에 부풀어 오릅니다. 말리면 수축합니다.

일반적인 젤 적용의 한 예는 콘택트 렌즈입니다. 그러나 특히 생물학에서는 더 복잡한 구조를 만들 필요가 있습니다. 예를 들어, 귀와 같은 인공 장기를 만들고 싶다면 젤로 스캐폴드를 만들고 젤에 달라붙어 그곳에서 자라는 생물학적 세포로 비계를 채울 수 있습니다. 바이오 업계가 이러한 기술에 관심을 갖는 이유다.

이제 기본적으로 개별 생물학적 세포 자체의 수준에서 정말 작은 것을 만들고 싶다고 상상해보십시오. 또는 신호를 앞뒤로 보내기 위해 셀에 전기적인 접촉을 하고 싶다고 가정해 보십시오. 생물학적 세포는 매우 연약한 유기체이기 때문에 세포를 너무 많이 방해하지 않고 부드럽게 해야 합니다. 와이어로 연결을 시도할 수 있지만 부드럽게 연결하더라도 손상될 수 있습니다. 우리의 경우 매우 작은 접촉을 매우 정밀하게 할 수 있을 정도로 아주 작은 젤을 생산할 수 있습니다. 우리는 전자빔이 아주 아주 작은 영역에 초점을 맞출 수 있기 때문에 이것을 할 수 있습니다.

그리고 또 다른 것은, 내가 전에 말한 개시제 화학물질은 종종 유독합니다. 최첨단 2광자 3D 인쇄 기술을 사용하여 아주 작은 것을 인쇄하려면 개시제의 농도를 높여야 하므로 젤이 세포 물질에 대해 훨씬 더 유독해집니다. 우리의 경우 독성 개시제를 사용하지 않고 매우 작은 기능을 만들 수 있습니다.

기술 요약: 기본 절차를 따르도록 하겠습니다. 제가 보기에는 젤로 3D 프린팅을 하는 것입니다. 젤을 기판에 부착하는 것입니다. 맞나요?

박사 콜마코프: 그 과정을 더 자세히 설명하겠습니다. 표준 주사 전자 현미경이 있다고 상상해보십시오. 그것은 내부에 매우 미세한 전자빔이 있는 진공 챔버입니다. 빔은 3나노미터만큼 작을 수 있습니다. 샘플이 진공 챔버 내부에 있는 경우 표면 위의 빔을 스캔하고 신호를 얻을 수 있으며 그로부터 이미지를 얻을 수 있습니다. 또는 무언가를 제작하고 싶다면 재료 층을 넣을 수 있습니다. 사람들은 이것을 반도체 산업에 사용합니다. 포토레지스트 필름을 놓을 수 있습니다. 그런 다음 이 레지스트에 무언가를 그릴 수 있고, 고체 필름에 전자빔으로 화학적으로 수정하고 나중에 제거를 위해 특수 화학 물질로 처리할 수 있습니다. 그러면 샘플 표면에 패턴이 생깁니다. 이것이 표준 전자 현미경 및 전자 석판술 절차입니다.

고체 필름이나 물체는 괜찮지만 액체에서도 이와 같은 작업을 하고 싶습니다. 문제는 액체가 진공 상태에서 지속되지 않고 증발한다는 것입니다. 현미경이 오염되고 비용이 많이 듭니다.

이 문제를 해결하기 위해 10나노미터 범위의 매우 얇은 멤브레인을 사용합니다. 표준 반도체 재료인 질화규소로 만들어졌습니다. 막이 너무 얇아서 전자는 약간의 산란이나 감쇠만으로 막을 통과할 수 있지만 기체와 액체는 통과할 수 없습니다. 우리는 이 트릭을 사용하여 빔을 액체에 전달합니다. 우리는 질화규소 창이 있는 작은 2차 챔버를 만들고 겔 형성을 위한 액체 전구체로 채움으로써 이를 수행했습니다. 그런 다음 액체에 전자를 매우 정확하게 조사하여 특정 패턴을 생성했습니다. 전자빔이 닿는 부분에서 액체가 화학적으로 변형되어 젤이 형성됩니다.

이것이 우리의 주요 아이디어였습니다. 이러한 방식으로 부드러운 레이어를 만드는 것입니다. 그런 다음 멤브레인에 매우 매우 가깝게 형성되기 때문에 박리할 수 있습니다. 그 다음, 두 번째 레이어를 성장시키기 시작하고, 그것을 박리하고, 세 번째 레이어를 성장시키기 시작하는 식으로 계속됩니다. 이것이 우리의 목표였습니다. 전자빔을 사용하여 액체 내부에 층별로 겔 구조를 만드는 것이었습니다.

기술 요약: 그럼 젤이 일정한 패턴으로 쌓이는 건가요?

박사 콜마코프: 예, 우리는 지금까지 매우 복잡한 구조를 만들지 않았습니다. 그러나 우리는 가능한 간단한 구조의 종류를 시연했습니다. 중요하게도, 우리는 박리를 수행할 수 있는 방법도 시연했습니다. 3D 프린팅을 할 때 멤브레인의 첫 번째 레이어가 달라붙기 때문에 박리가 문제가 됩니다. 따라서 첫 번째 레이어 위에 두 번째 레이어를 작성할 수 있도록 이를 박리하는 절차를 만들어야 합니다.

기술 요약: 젤은 생물학적 세포나 일종의 센서를 놓을 수 있는 기본 구조입니까?

박사 콜마코프: 예, 젤로 많은 일을 할 수 있습니다. 예를 들어, 전도성 젤을 전기 접점으로 사용할 수 있습니다. 또는 투명하기 때문에 광섬유를 만드는 데 사용할 수 있습니다. 또한 일부 젤은 특정 자극에 반응하도록 만들 수 있습니다. 예를 들어, 온도나 pH에 민감하게 만들 수 있습니다. 젤의 분자를 수정하여 많은 기능을 만들 수 있습니다. 이런 식으로 나노 수영 선수나 소프트 마이크로 로봇과 같은 기능적인 물체를 만들 수 있습니다.

기술 요약: 전자빔이 이러한 모든 수정 작업을 수행합니까?

박사 콜마코프: 아니요, 지금까지는 전자빔 자체가 모양을 만들 뿐입니다.

기술 요약: 그럼 다른 모든 작업은 어떻게 하나요?

박사 콜마코프: 젤 자체에 기능을 소개합니다. 예를 들어, 우리는 습도를 감지하고 센서를 아주 아주 작게 만들고 싶었습니다. 용액에 금 나노 입자를 추가하고 쓰기 과정에서 겔 구조 내부에 입자를 캡슐화했습니다.

기술 요약: 따라서 입자를 혼합물에 넣은 다음 전자빔을 사용하여 구조를 만들었다는 것입니다.

박사 콜마코프: 예, 이제 입자가 젤 내부에 캡슐화됩니다. 젤 재료의 크기는 습도에 매우 민감합니다. 외부가 건조하면 수축하고 젖거나 습하면 팽창한다고 가정해 보겠습니다. 그러면 습도 변화로 인해 내장된 입자 사이의 거리가 변경됩니다. 그런 다음 합성 젤의 색상을 모니터링하여 습도를 결정할 수 있습니다. 우리가 사용하는 기술을 플라즈몬 여기라고 합니다. 재료의 광학 스펙트럼을 보고 입자 사이의 거리를 결정할 수 있습니다. 따라서 이것은 습도를 모니터링하는 간단한 방법입니다. 하지만 당신이 할 수 있는 다른 많은 것들이 있습니다. 예를 들어, 젤 분자 자체를 변경하여 pH에 반응하도록 할 수 있습니다. 그러면 산도가 변할 때 움직이는 로봇과 같은 것을 만들 수 있습니다. 신체의 특정 부위에 삽입된 나노수영 로봇은 용액의 pH가 변할 때 움직일 수 있다. 이점은 현재 이러한 목적으로 사용되는 다른 기술과 달리 구조를 극도로 작게 만들 수 있다는 것입니다. 실제로는 셀 자체보다 작게 만들 수 있습니다.

기술 요약: 전자빔 대신 엑스레이를 사용할 수 있나요?

박사 콜마코프: 대체로 우리가 어떤 종류의 전리 방사선을 사용하고 있는지는 중요하지 않습니다. 전자빔과 엑스레이 모두의 이점은 매우 작은 지점에 초점을 맞출 수 있다는 것입니다. 둘 중 하나를 사용하여 매우 작은 구조를 작성할 수 있습니다. 그러나 엑스레이는 나름의 장점이 있습니다. 파장을 변경하여 빔의 에너지를 변경할 수 있습니다. 각 화학 원소는 매우 특정한 파장에서 X선을 흡수하므로 쓰기 과정에 화학적 특이성을 추가할 수 있습니다. 예를 들어, X선의 파장을 최대 산소 흡수 지점에 더 가깝거나 멀어지게 조정하면 산소 함유 젤을 더 얕게 또는 더 깊게 쓸 수 있습니다.

기술 요약: 하지만 더 위험하지 않습니까?

박사 콜마코프: 글쎄요, 이것은 전리방사선이므로 사용자로부터 빔을 충분히 차폐하는 등 적절한 안전 조치를 취해야 합니다. 그러나 미디어를 수정하는 데 필요한 용량의 문제입니다. 용액에서 물을 이온화하는 전자빔의 능력은 매우 효과적이며 많은 양을 필요로 하지 않습니다. 이것이 바로 우리가 가교제로 사용하는 것입니다.

기술 요약: 이것이 곧 상업적으로 사용되는 것을 볼 수 있습니까?

박사 콜마코프: 이 기술에 대한 업계의 관심은 우리가 보여줄 수 있는 능력에 달려 있습니다. 예를 들어 3D 프린팅과 같은 현재의 주요 과제는 여전히 기판에서 층별 박리의 신뢰성을 개선해야 한다는 것입니다. 따라서 3D 복잡한 서브미크론 구조를 보여주자마자 업계는 매우 작은 물건을 인쇄하는 이 기술에 관심을 가져야 합니다. 우리는 이러한 작업을 계속하고 있습니다.

기술 요약: 상업용 에너지원으로 이를 수행할 수 있습니까?

박사 콜마코프: 정확히! 그것이 우리의 목표였습니다. 우리는 표준 주사 또는 투과 전자 현미경을 사용하는 사람들에게 이것을 보여주고 싶었고 전 세계에 수천 대의 전자 현미경이 있습니다. 또한 새로운 산업인 X선 현미경을 소유한 사람들이 있습니다. 최근에 실험실에서 사용할 수 있게 되었습니다. 우리 연구실에서 사용하는 모든 기계는 상업용입니다. 아주 간단한 맞춤형 설정을 추가했습니다. 따라서 대규모로 이 작업을 수행하는 것이 확실히 가능합니다. 더욱이 현미경 자체에 새로운 발전이 있습니다. 일부 회사는 대기와 같은 주변 환경에서 작동할 수 있는 전자 현미경을 생산하는 데 관심을 갖게 되었습니다. 그러면 현미경으로 샘플을 공기 중에 넣으면 되기 때문에 훨씬 더 쉬울 것입니다.

기술 요약: 이 프로젝트에서 가장 흥미로운 점은 무엇입니까?

박사 콜마코프: 나를 가장 흥분시키는 것은 이것이 완전히 새로운 기술이고 우리가 그 시작 단계에 있다는 것입니다. 제 소원은 열정적인 파트너와 이를 추진할 수 있는 충분한 자원과 인력을 찾는 것입니다.

기술 요약: 귀하의 기술을 구현하기 위해 상업 회사와 협력할 수 있습니까?

박사. 콜마코프: 확실히, 나는 기뻐할 것입니다. NIST에서 우리의 사명은 업계가 새로운 기술이나 계측을 개발하도록 돕는 것입니다.

기술 요약: 많은 사람들이 이것에 관심을 가져야 할 것 같습니다.

박사. 콜마코프: 맞습니다. 인쇄계와 함께 일하는 생물학자들이 관심을 가질 것입니다. 예를 들어, 현재의 3D 바이오프린팅 기술을 사용하여 사람들은 조직 공학을 위한 센티미터 크기의 젤 구조를 만들고 있습니다. 그러나 셀 수준이나 내부와 같이 매우 작은 구조를 인쇄할 필요도 있습니다. 세포, 그러나 그것은 여전히 ​​​​SF입니다. 아직 시장이 없습니다. 거의 열린 공간입니다. 누군가 인공 세포하 겔 구조에 대한 시장성 있는 아이디어를 제시하면 업계가 더 관심을 가질 것입니다. 너무 이른 것 같습니다.

기술 요약: 시장을 예측할 수 있습니까?

박사. 콜마코프: 글쎄요, 제가 흥미롭게 생각하는 것 중 하나는 우리 기술을 컴퓨터-뇌 인터페이스에 연결하는 것입니다. 거기에는 두 가지 주요 과제가 있습니다. 하나는 뇌 조직을 손상시키지 않는 부드러운 전극을 개발하는 것이고 다른 하나는 이 전극을 뇌에 전달하는 것입니다.

기술 요약: Elon Musk가 그것에 대해 이야기하는 것을 들었습니다.

박사. 콜마코프: 예. 문제는 그가 더 오래된 기술을 사용하고 있다는 것입니다. 전극은 매우 유연하지 않고 단단하며 조직에 매우 친화적이지 않습니다. 두 번째는 전극을 이식하기 위해 두개골에 수술을 해야 한다는 것입니다. 우리의 방법으로 볼 수 있는 것은 전극을 훨씬 더 얇고 유연하며 훨씬 더 생체 친화적으로 만들 수 있다는 것입니다. 또한 전극은 전자 및 이온 신호를 전달할 수 있으며 광학적으로 투명하여 광 신호를 앞뒤로 전달할 수 있습니다. 따라서 제 생각에는 이것이 다른 어떤 것보다 뇌 활동 이미징에 대한 훨씬 더 나은 전망입니다. 그것은 아마도 내가 상상할 수 있는 가장 인기 있는 애플리케이션일 것입니다. 현재 소프트 전자공학 분야에서 일하는 모든 사람들은 뇌-컴퓨터 인터페이스를 염두에 두고 있습니다. 처음에는 필사적으로 이동성과 같은 일부 기능을 상실한 사람들을 위한 것입니다. 하지만 결국 — 두 번째 두뇌를 소유하고 있다고 상상해 보십시오.

지금 공상 과학과 현실 사이에는 아주 작은 간격이 있다고 생각합니다. 이것은 거대한 분야이고 우리가 하고 있는 일은 아주 작은 기여일 뿐입니다. 사람들은 뇌가 생성하는 신호를 읽기 시작함으로써 많은 것을 배웠습니다. 뇌를 이해하는 것은 이미 우리가 컴퓨팅을 하는 방식을 변화시켰고 새로운 기술인 뉴로모픽 컴퓨팅의 시작으로 이어졌습니다. 사람들은 완전히 다른 아키텍처와 언어, 심지어 논리까지 갖춘 컴퓨터를 만들려고 노력하고 있으며, 여전히 일반적인 반도체인 일반 요소를 사용하고 있습니다. 디지털보다는 아날로그 및 패턴 인식에 더 많이 사용되며 무기 트랜지스터나 멤리스터와 같은 기타 장치 대신 다른 예를 들어 부드러운 재료를 사용할 수 있습니다.

이 인터뷰의 편집된 버전은 Tech Briefs의 2020년 12월호에 실렸습니다.