ΜΙΤ: Προηγμένη μέθοδος συρρίκνωσης/συστολής αντικειμένων σε νανοκλίμακα

Ερευνητές του ΜΙΤ δημιούργησαν μία μέθοδο η οποία επιτρέπει τη δημιουργία/ αναδημιουργία τρισδιάστατων αντικειμένων οποιουδήποτε σχήματος σε νανοκλίμακα - και μάλιστα μέσω της χρήσης μιας σειράς χρήσιμων υλικών, περιλαμβανομένων μετάλλων, DNA κ.α.

«Είναι ένας τρόπος χρήσης σχεδόν οποιουδήποτε είδους υλικού σε 3D δομή με ακρίβεια νανοκλίμακας» λέει ο Έντουαρντ Μπόιντεν, καθηγητής Νευροτεχνολογίας (έδρα Y.Eva. Tan) και επίκουρος καθηγητής βιολογικής μηχανικής και εγκεφαλικών και γνωστικών επιστημών στο ΜΙΤ.

Όπως αναφέρει το ΜΙΤ News, μέσω της χρήσης της νέας τεχνικής, οι ερευνητές έχουν τη δυνατότητα να δημιουργούν κάθε είδος σχήματος και δομής που επιθυμούν, μέσω της δημιουργίας «σκαλωσιάς» από πολυμερές μέσω λέιζερ. Μετά την εναπόθεση άλλων χρήσιμων υλικών στη «σκαλωσιά», τη συρρικνώνουν, δημιουργώντας δομές στο 1/1000 του μεγέθους του κανονικού.

Αυτές οι μικρές δομές θα μπορούσαν να δουν εφαρμογή σε πολλούς τομείς - από την οπτική, μέχρι την ιατρική και τη ρομποτική. Ακόμη, η συγκεκριμένη τεχνική χρησιμοποιεί εξοπλισμό που πολλά εργαστήρια βιολογίας και υλικών έχουν ήδη, καθιστώντας την προσβάσιμη σε ερευνητές που θα ήθελαν να πειραματιστούν με αυτήν.

Οι υπάρχουσες τεχνολογίες για τη δημιουργία νανοδομών είναι περιορισμένες όσον αφορά στο τι μπορούν να επιτύχουν: Η δημιουργία δομών πάνω σε μια επιφάνεια με φως μπορεί να παράγει νανοδομές δύο διαστάσεων, ωστόσο δεν λειτουργεί με τρισδιάστατες δομές, η δημιουργία των οποίων είναι δυνατή μέσω σταδιακής εναπόθεσης στρωμάτων το ένα πάνω στο άλλο, αλλά η διαδικασία αυτή είναι αργή και δύσκολη.

Επίσης, αν και υπάρχουν μέθοδοι που επιτρέπουν την απευθείας 3D εκτύπωση αντικειμένων νανοκλίμακας, περιορίζονται σε ειδικά όπως πολυμερή και πλαστικά, που δεν έχουν τις λειτουργικές ιδιότητες που απαιτούνται για πολλές εφαρμογές.

Επιπρόσθετα, μπορούν να παράγουν μόνο μεμονωμένες, σχετικά απλές κατασκευές, όπως πχ μια συμπαγή πυραμίδα, αλλά όχι μια αλυσίδα ή μια κούφια σφαίρα.

Για την υπέρβαση αυτών των περιορισμών, ο Μπόιντεν και οι φοιτητές του αποφάσισαν να προσαρμόσουν μια τεχνική την οποία το εργαστήριό του είχε αναπτύξει μερικά χρόνια πριν, για high-resolution απεικόνιση του εγκεφαλικού ιστού.

Η τεχνική αυτή (expansion microscopy) περιλαμβάνει την ενσωμάτωση ιστού σε ένα υδροτζέλ και μετά τη μεγέθυνση/διαστολή του, επιτρέποντας την απεικόνιση υψηλής ανάλυσης με κανονικό μικροσκόπιο. Η τεχνική αυτή πλέον χρησιμοποιείται από πολλούς ερευνητές στους κλάδους της βιολογίας και της ιατρικής.

Αντιστρέφοντας τη διαδικασία αυτή, οι ερευνητές διαπίστωσαν πως ήταν δυνατή η δημιουργία αντικειμένων μεγάλης κλίμακας, ενσωματωμένων σε υδροτζέλ που είχαν διασταλεί, και μετά η συστολή τους σε νανοκλίμακα, μια προσέγγιση που αποκαλούν «implosion fabrication».

Όπως έκαναν και στην περίπτωση της expansion microscopy, χρησιμοποίησαν ένα πολύ απορροφητικό υλικό, φτιαγμένο από πολυακρυλικό, ως «σκαλωσιά» για τη όλη διαδικασία. To «ικρίωμα» αυτό εμβαπτίζεται σε ένα διάλυμα που περιέχει μόρια φθορεσκεΐνης, που προσκολλώνται στο ικρίωμα όταν ενεργοποιούνται από φως λέιζερ.

Χρησιμοποιώντας μικροσκόπηση δύο φωτονίων, που επιτρέπει την ακριβή στόχευση σημείων βαθιά μέσα σε μια δομή, οι ερευνητές προσκολλούν μόρια φθορεσκεΐνης σε συγκεκριμένα σημεία εντός του τζελ.

Τα μόρια φθορεσκεΐνης λειτουργούν ως «άγκυρες», που προσδένονται σε άλλα είδη μορίων. «Κολλάς τις άγκυρες εκεί που θες με φως, και αργότερα μπορείς να εφαρμόσεις πάνω τους ότι θες. Θα μπορούσε να είναι κβαντική κουκκίδα, τμήμα DNA, νανοσωματίδιο χρυσού» λέει ο Μπόιντεν.

Όταν τα επιθυμητά σωματίδια προσκολληθούν στα σωστά σημεία, οι ερευνητές συρρικνώνουν/ συστέλλουν ολόκληρη τη δομή προσθέτοντας ένα οξύ, που μπλοκάρει τα αρνητικά φορτία στο τζελ πολυακρυλικού, έτσι ώστε να μην αλληλοαπωθούνται, με αποτέλεσμα τη συστολή του τζελ.

Μέσω αυτής της τεχνικής, οι ερευνητές μπορούν να συρρικνώσουν αντικείμενα κατά 10 φορές σε κάθε διάσταση (1.000 φορές σε όλο το σύνολο). Η εν λόγω δυνατότητα συρρίκνωσης όχι μόνο επιτρέπει αυξημένη ανάλυση, αλλά επιτρέπει και τη σύνθεση υλικών σε «σκαλωσιές» χαμηλής πυκνότητας, επιτρέποντας ευκολότερη τροποποίηση.

Αυτή τη στιγμή, οι ερευνητές μπορούν να δημιουργήσουν αντικείμενα μεγέθους περίπου ενός κυβικού χιλιομέτρου, φτιαγμένα με ανάλυση 50 νανομέτρων. Υπάρχει σχέση αντίστροφης αναλογίας μεταξύ του μεγέθους και της ανάλυσης:

Αν οι ερευνητές θέλουν να φτιάξουν μεγαλύτερα αντικείμενα, περίπου ενός κυβικού εκατοστού, μπορούν να επιτύχουν ανάλυση περίπου 500 νανομέτρων. Ωστόσο, αυτή η ανάλυση θα μπορούσε να βελτιωθεί στο πλαίσιο της περαιτέρω εξέλιξης της όλης διαδικασίας, όπως εκτιμάται.