Наноимпринтная литография: от идеи к реализации
Основой этой технологии является метод наноимпринтной литографии (НИЛ), который позволяет создавать наноструктуры на различных материалах с помощью специального штампа. Этот метод был предложен в 90-х годах прошлого века и с тех пор значительно совершенствовался.
Суть НИЛ заключается в том, что на подложку с покрытием из полимера (резиста) прикладывается штамп с наноразмерными выступами, которые вдавливаются в резист, формируя в нем рельеф. Затем резист подвергается травлению, при котором удаляются лишние части и остаются только нужные наноструктуры. Эти наноструктуры могут быть из разных материалов, например, из золота.
Золото имеет ряд преимуществ для создания биоэлектронных элементов. Оно хорошо проводит электричество, устойчиво к коррозии и не вызывает аллергических реакций. Кроме того, золото имеет высокую адгезию к биологическим молекулам, таким как ДНК или антитела.
По мнению разработавших его учёных во главе с инженером Дэвидом Грасиасом из Университета Джонса Хопкинса, этот метод может иметь невероятные применения в здравоохранении.
Если представить, к чему все это будет происходить в будущем, нам бы хотелось иметь датчики для удаленного мониторинга и контроля состояния отдельных клеток и окружающей среды в режиме реального времени. Если бы у нас были технологии для отслеживания здоровья изолированных клеток, мы, возможно, могли бы диагностировать и лечить заболевания гораздо раньше, а не ждать, пока будет поврежден весь орган
— Дэвид Грасиас.
Биоэлектроника: от мышей к людям
Ученые решили использовать НИЛ для создания золотых татуировок на живых клетках мыши, включая эмбрионы. Исследователи сначала напечатали наноразмерное золотое изображение на кремниевой пластине, покрытой полимером. Затем полимер растворили, чтобы рисунок можно было перенести на тонкие пленки стекла, где он был обработан биологическим соединением под названием цистеамин и покрыт гидрогелем.
Затем рисунок сняли со стекла и обработали желатином перед переносом в клетку фибробласта. Наконец гидрогель растворился. Цистеамин и желатин помогли золоту связаться с клеткой, где оно оставалось и перемещалось вместе с клеткой в течение следующих 16 часов.
Таким образом, исследователи получили клетки с золотыми наноточками и нанопроволоками на поверхности. Эти наноструктуры могут служить как электроды для подачи или снятия электрических сигналов с клеток. Также они могут быть использованы как датчики для измерения различных параметров клеточной среды, таких как температура, рН или концентрация кислорода.
Ученые продемонстрировали, что этот метод работает не только на культурах клеток, но и на живых организмах. Они успешно перенесли золотые татуировки на эмбрионы мыши и наблюдали за их развитием. Оказалось, что золотые наноструктуры не мешают нормальному росту и дифференциации клеток, а также не вызывают воспалительных реакций.
Мы показали, что можем прикреплять сложные наноструктуры к живым клеткам, гарантируя при этом, что клетка не умрет. Это очень важный результат: клетки могут жить и двигаться вместе с татуировками, потому что часто существует значительная несовместимость между живыми клетками и методами, которые инженеры используют для изготовления электроники
— Дэвид Грасиас.
Перспективы и проблемы
Эта техника наносит важный вклад в развитие более сложной электроники, включая электроды, антенны и схемы, которые будут интегрированы не только с живыми тканями, но также с гидрогелями и другими мягкими материалами. Она открывает возможности для создания новых субстратов для клеточных культур, биогибридных материалов, бионических устройств и биосенсоров.
Исследование, опубликованное в журнале Nano Letters, демонстрирует, как с использованием наноимпринтной литографии можно достичь значительного прогресса в интеграции электроники с биологическими системами. Этот метод прост и недорог, что делает его перспективным в будущих научных и медицинских разработках.
Однако у этой технологии есть и свои ограничения и риски. Например, неизвестно, как золотые наноструктуры повлияют на долгосрочное здоровье клеток и организмов. Также неясно, как контролировать и регулировать электрическую активность клеток с золотыми татуировками. Кроме того, возможны проблемы этического и социального характера, связанные с модификацией живых тканей.
В любом случае эта технология представляет собой уникальный пример сочетания биологии и электроники, который может открыть новые горизонты для науки и медицины. Возможно, в будущем мы увидим людей с золотыми татуировками на клетках, которые будут не только украшением, но и способом мониторинга и улучшения здоровья.
