Para peneliti di National Institute of Standards and Technology (NIST) telah mengembangkan metode baru gel pencetakan 3D dan bahan lunak lainnya. Diterbitkan dalam makalah baru, ia memiliki potensi untuk membuat struktur kompleks dengan presisi skala nanometer. Karena banyak gel yang kompatibel dengan sel hidup, metode baru ini dapat mempercepat produksi perangkat medis kecil yang lembut seperti sistem pengiriman obat atau elektroda fleksibel yang dapat dimasukkan ke dalam tubuh manusia.

Printer 3D standar membuat struktur padat dengan membuat lembaran material — biasanya plastik atau karet — dan membangunnya lapis demi lapis, seperti lasagna, hingga seluruh objek dibuat.

Menggunakan printer 3D untuk membuat objek yang terbuat dari gel adalah “proses memasak yang lebih rumit,” kata peneliti NIST Andrei Kolmakov. Dalam metode standar, ruang printer 3D diisi dengan sup polimer rantai panjang — kelompok molekul panjang yang terikat bersama — dilarutkan dalam air. Kemudian “rempah-rempah” ditambahkan — molekul khusus yang peka terhadap cahaya. Ketika cahaya dari printer 3D mengaktifkan molekul-molekul khusus tersebut, mereka menyatukan rantai polimer sehingga membentuk struktur seperti jaring halus. Perancah ini, masih dikelilingi air cair, adalah gelnya.

Biasanya, printer gel 3D modern telah menggunakan sinar ultraviolet atau sinar laser tampak untuk memulai pembentukan perancah gel. Namun, Kolmakov dan rekan-rekannya telah memusatkan perhatian mereka pada teknik pencetakan 3-D yang berbeda untuk membuat gel, menggunakan berkas elektron atau sinar-X. Karena jenis radiasi ini memiliki energi yang lebih tinggi, atau panjang gelombang yang lebih pendek, daripada ultraviolet dan cahaya tampak, sinar ini dapat lebih terfokus dan menghasilkan gel dengan detail struktur yang lebih halus. Detail seperti itu persis seperti yang dibutuhkan untuk rekayasa jaringan dan banyak aplikasi medis dan biologi lainnya. Elektron dan sinar-X menawarkan keuntungan kedua: Mereka tidak memerlukan sekumpulan molekul khusus untuk memulai pembentukan gel.

Tetapi saat ini, sumber radiasi panjang gelombang pendek yang terfokus dengan ketat ini — pemindaian mikroskop elektron dan mikroskop sinar-X — hanya dapat beroperasi dalam ruang hampa. Itu masalah karena dalam ruang hampa cairan di setiap ruang menguap alih-alih membentuk gel.

Kolmakov dan rekan-rekannya di NIST dan di Elettra Sincrotrone Trieste, di Italia, memecahkan masalah tersebut dan mendemonstrasikan pencetakan gel 3-D dalam cairan dengan menempatkan penghalang yang sangat tipis — selembar silikon nitrida tipis — antara ruang hampa dan ruang cairan. Lembaran tipis melindungi cairan dari penguapan (seperti yang biasa dilakukan dalam ruang hampa) tetapi memungkinkan sinar-X dan elektron menembus ke dalam cairan. Metode ini memungkinkan tim untuk menggunakan pendekatan pencetakan 3D untuk membuat gel dengan struktur sekecil 100 nanometer (nm) —sekitar 1.000 kali lebih tipis dari rambut manusia. Dengan menyempurnakan metode mereka, para peneliti berharap dapat mencetak struktur pada gel sekecil 50 nm, seukuran virus kecil.

Beberapa struktur masa depan yang dibuat dengan pendekatan ini dapat mencakup elektroda injeksi yang fleksibel untuk memantau aktivitas otak, biosensor untuk deteksi virus, robot mikro lunak, dan struktur yang dapat meniru dan berinteraksi dengan sel hidup dan menyediakan media untuk pertumbuhannya.
“Kami membawa alat baru — berkas elektron dan sinar-X yang beroperasi dalam cairan — ke dalam pencetakan 3-D bahan lunak,” kata Kolmakov. Dia dan kolaboratornya menggambarkan pekerjaan mereka dalam sebuah artikel yang diposting secara online 16 September di ACS Nano.