Кольцевые «нанокольца» излучают свет разных цветов в зависимости от своей структуры. Кредит: Университет Орегона
В таком простом процессе, как перемешивание яиц и муки в блинах, исследователи из Университета Орегона смешали флуоресцентные кольцевые молекулы в новый процесс 3D-печати. Результат: сложные светящиеся структуры, которые поддерживают разработку новых видов биомедицинских имплантатов.
Это достижение решает давнюю проблему проектирования, облегчая отслеживание и мониторинг структур с течением времени внутри тела, что позволяет исследователям легко отличать, что является частью имплантата, а что — клетками или тканью.
Открытие стало результатом сотрудничества между инженерной лабораторией Пола Далтона в кампусе Фила и Пенни Найт по ускорению научного воздействия и химической лабораторией Рамеша Джасти в колледже искусств и наук Университета Огайо. Исследователи описывают свои выводы в статье, опубликованной этим летом в журнале Small.
«Я думаю, это был один из тех странных моментов, когда мы сказали: «Давайте попробуем», и это практически сразу сработало», — сказал Далтон.
Но за этой простой историей происхождения стоят годы специализированных исследований и опыта в двух совершенно разных областях, прежде чем они наконец сошлись.
Лаборатория Далтона специализируется на сложных, новых формах 3D-печати. Фирменная разработка его команды — это метод, называемый электрописьмом расплава, который позволяет печатать на 3D-принтере относительно большие объекты с очень высоким разрешением. Используя этот метод, команда напечатала сетчатые каркасы, которые можно использовать для различных видов биомедицинских имплантатов.
Электрописьмо из расплава — это новая технология 3D-печати, разработанная Далтоном. Кредит: Университет Орегона
Такие имплантаты могут использоваться для самых разных целей, таких как новые технологии заживления ран, искусственные кровеносные сосуды или структуры для регенерации нервов. В недавнем проекте лаборатория сотрудничала с косметической компанией L'Oreal, используя каркасы для создания реалистичной многослойной искусственной кожи.
Тем временем лаборатория Джасти известна своей работой над нанокольцами, кольцеобразными молекулами на основе углерода, которые обладают множеством интересных свойств и регулируются в зависимости от точного размера и структуры кольцеобразных колец. Нанокольца ярко флуоресцируют при воздействии ультрафиолетового света, испуская разные цвета в зависимости от их размера и структуры.
Обе лаборатории могли бы остаться на своих путях, если бы не случайный разговор, когда Далтон был новым профессором в UO, жаждущим наладить связи и познакомиться с другими преподавателями. Он и Джасти обменялись идеями о включении наноколец в 3D-каркасы, над которыми уже работал Далтон. Это заставило бы структуры светиться, полезная функция, которая облегчила бы отслеживание их судьбы в организме и различение структур от окружающей среды.
«Мы думали, что это, вероятно, не сработает», — сказал Джасти. Но это сработало, довольно быстро.
Люди пытались заставить каркасы светиться в прошлом, но без особого успеха, сказал Далтон. Большинство флуоресцентных молекул распадаются при длительном воздействии тепла, необходимого для его техники 3D-печати. Нанокольца лаборатории Джасти гораздо более стабильны при высоких температурах.
Нанокольца светятся под ультрафиолетовым светом. Источник: Университет Орегона
Хотя обе группы могут представить свое ремесло простым, «создание наноколец действительно сложно, а электрописьмо расплава — действительно сложно, поэтому тот факт, что нам удалось объединить эти две действительно сложные и разные области в нечто действительно простое, невероятен», — сказал Харрисон Рид, аспирант в лаборатории Джасти.
Исследователи обнаружили, что всего лишь небольшое количество флуоресцентных наноколец, смешанных с материалом для 3D-печати, дает долговечные светящиеся структуры. Поскольку флуоресценция активируется ультрафиолетовым светом, каркасы по-прежнему выглядят прозрачными при нормальных условиях.
Хотя первоначальная концепция сработала очень быстро, потребовалось несколько лет дополнительных испытаний, чтобы полностью изучить материал и оценить его потенциал, сказал Патрик Холл, аспирант в лаборатории Далтона.
Например, Холл и Далтон провели ряд тестов, чтобы подтвердить, что добавление наноколец не повлияло на прочность или стабильность 3D-печатного материала. Они также подтвердили, что добавление флуоресцентных молекул не сделало полученный материал токсичным для клеток, что важно для биомедицинских приложений и является ключевым базовым уровнем, который необходимо достичь, прежде чем он сможет приблизиться к применению человеком.
Команда предполагает ряд возможных применений для созданных ими светящихся материалов. Далтон особенно заинтересован в биомедицинском потенциале, но настраиваемый материал, который светится под УФ-светом, может также найти применение в системах безопасности, сказал Джасти.
Крупный план каркаса, сделанного из наноколец, светящихся синим цветом под УФ-светом. Кредит: Университет Орегона
Они подали заявку на патент на это достижение и в конечном итоге надеются коммерциализировать его. И Джасти, и Далтон благодарны за счастливую случайность, которая свела их вместе.
«Мы получаем новые интересные направления, когда люди, которые обычно не обсуждают свою науку, собираются вместе», — сказал Далтон.
Дополнительная информация: Патрик К. Холл и др., [n]Циклопарафенилены как совместимые флуорофоры для электрописи расплава, Small (2024). DOI: 10.1002/smll.202400882
Информация о журнале: Small
Предоставлено Университетом Орегона
