Une nouvelle technologie d'impression 4D pourrait accélérer le développement de nouvelles thérapies

Des chercheurs du Advanced Science Research Center du Graduate Center, de CUNY (CUNY ASRC) et de Northwestern University ont créé une imprimante 4D capable de construire des surfaces à motifs qui recréent la complexité des surfaces cellulaires. La technologie, détaillée dans un article récemment publié en Communications Nature (DOI: 10.1038 / s41467-020-14990-x), permet aux scientifiques de combiner la chimie organique, la science des surfaces et la nanolithographie pour construire des surfaces nanométriques conçues avec précision qui sont décorées de délicates molécules organiques ou biologiques. Les surfaces auront une grande variété d'utilisations, y compris dans la recherche sur les médicaments, le développement de biocapteurs et l'optique avancée. Surtout, cette technologie peut créer des surfaces avec différents matériaux, et ces matériaux peuvent être modelés sur la surface sans utiliser de photomasques coûteux ou de processus de salle blanche fastidieux.

On me demande souvent si j'ai utilisé cet instrument pour imprimer un produit chimique spécifique ou préparer un système particulier. Ma réponse est que nous avons créé un nouvel outil pour effectuer la chimie organique sur les surfaces, et son utilisation et son application ne sont limitées que par l'imagination de l'utilisateur et sa connaissance de la chimie organique. « 

Adam Braunschweig, membre du corps professoral de l'investigateur principal de l'étude avec la CUNY ASRC Nanoscience Initiative et le Graduate Center and Hunter College Chemistry Department

La méthode d'impression, appelée Polymer Brush Hypersurface Photolithography, combine la microfluidique, la photochimie organique et la nanolithographie avancée pour créer une imprimante sans masque capable de préparer des réseaux multiplexés de matières organiques et biologiques délicates. Le nouveau système surmonte un certain nombre de limitations présentes dans d'autres techniques d'impression de biomatériaux, permettant aux chercheurs de créer des objets 4D avec une matière structurée avec précision et une composition chimique adaptée à chaque voxel – une capacité que les auteurs appellent la « lithographie hypersurface ».

« Les chercheurs ont travaillé à utiliser des techniques lithographiques pour modeler les surfaces avec des biomolécules, mais à ce jour, nous n'avons pas développé un système suffisamment sophistiqué pour construire quelque chose d'aussi compliqué qu'une surface cellulaire », a déclaré Daniel Valles, doctorant au CUNY Center Laboratoire de Braunschweig. « Nous envisageons d'utiliser ce système pour assembler des cellules synthétiques qui permettent aux chercheurs de reproduire et de comprendre les interactions qui se produisent sur les cellules vivantes, ce qui conduira au développement rapide de médicaments et d'autres technologies bio-inspirées. »

Comme preuve de concept, les chercheurs ont imprimé des motifs de pinceaux en polymère en utilisant des doses précises de lumière pour contrôler la hauteur du polymère à chaque pixel. Comme illustré par l'image de Lady Liberty, la coordination entre la microfluidique et la source lumineuse contrôle la composition chimique à chaque pixel.

« La chimie des polymères fournit un ensemble d'outils aussi puissant, et les innovations en chimie des polymères ont été des moteurs majeurs de la technologie au cours du siècle dernier », a déclaré le co-auteur du document, Nathan Gianneschi, qui est le professeur Jacob & Rosaline Cohn de chimie, science des matériaux. Et ingénierie et génie biomédical à la Northwestern University. « Ce travail étend cette innovation aux interfaces où des structures arbitraires peuvent être réalisées de manière hautement contrôlée, et d'une manière qui nous permet de caractériser ce que nous avons fait et de le généraliser à d'autres polymères. »

« Ce document est une démonstration tour de force de ce qui peut être fait avec des outils de lithographie massivement parallèles », a déclaré Chad Mirkin, George B. Rathmann, professeur de chimie et directeur de l'Institut international de nanotechnologie du Weinberg College of Arts de la Northwestern University. et Sciences, qui n'est pas coauteur de l'étude. « Les co-auteurs ont créé un puissant ensemble de capacités qui devraient être largement utilisées dans les communautés de la chimie, de la science des matériaux et de la biologie. »

Les chercheurs prévoient de poursuivre le développement de cette nouvelle plate-forme d'impression pour augmenter la vitesse du système, réduire les dimensions des pixels et développer de nouvelles chimies pour augmenter la portée des matériaux pouvant être modelés. Actuellement, ils utilisent les modèles créés par cette plateforme pour comprendre les interactions subtiles qui dictent la reconnaissance dans les systèmes biologiques.