基于激光束的“三维绘画”

利用激光束,分子可以被准确地固定三维物体的特定位置。来自维也纳技术大学(Vienna University of Technology)的研究者们最近开发出一种新的技术,可以用来生长生物组织或制造微型传感器。

有很多种方法可以用来产生微米尺度的三维物体。但是如何能在微米尺度精确调控一种材料的化学特性呢?来自维也纳技术大学的研究者们开发出一种可以精确地将分子附着在特定位置的方法。在生长生物组织时,利用这种方法可以在某一位置放置化学信号,这样就可以告诉细胞该附着在哪里。这项新技术在传感技术上也很有前景:通过这种方法可以构建一个微型的三维“芯片实验室”,在芯片上精确固定的分子可以和环境中的物质反应。

材料科学和化学

“三维光嫁接”(3D-photografting)是一种新方法的名称。来自维也纳技术大学的两个研究组相互紧密合作开发这项技术:Jürgen Stampfl教授领导的材料科学研究组和Robert Liska教授领导的大分子化学研究组。

利用光嫁接方法制作的一个复杂的3D图案—海星

两个研究组过去都致力于研发新型三维打印机,很有知名度。但是,如果不将其用在目前科学家们正在研究的应用场合,三维打印技术就不那么有应用前景。Aleksandr Ovsianikov说:“在微小物体的同一种材料上修饰以不同的化学特性是一项极其复杂的工作,这就是我们为什么研究从三维结构骨架入手然后将需要的分子精确附着在特定位置”。

水凝胶中的分子利用激光将分子锁定在特定位置

科学家们利用水凝胶(一种大分子组成的,松散的网络状材料)作为骨架。在这些分子之间存在着很大的孔隙,其他分子甚至是细胞可以在这些孔隙间转移。

经过特殊选择的分子被引入水凝胶网络,然后用一束激光照射特定某一点。在激光束聚焦的地方强度最强,然后光化学不稳定的键将被打断。这样的话,可以产生具有高度活性的中间体,可以很快地附着在水凝胶上。这一精度由激光束聚焦系统决定,在维也纳技术大学他们可以达到4微米的分辨率。Aleksandr Ovsianikov说:“就像一个画家将颜色涂在画布的特定位置上,通过这种方法,我们可以在三维上将分子放置在水凝胶里,同时具有更高的精度”。

引导细胞的化学信号

这种方法可以用来人工生长生物组织。就像爬行植物生长需要依附着一个支架一样,细胞生长也需要可以依附的骨架。在一个天然的组织中,细胞外基质利用特殊的氨基酸序列给细胞提供信号,告诉他们在哪里生长。

在实验室里,科学家们正在尝试利用相同的化学信号。在很多实验中,已经可以实现在二维表面上控制细胞依附,但是为了在某一特殊内部结构(如毛细管)中生长更大的组织,一个真正三维生长技术很有必要。

检测分子的微型传感器

根据不同应用场合,可以选择利用不同分子。三维光嫁接技术不仅可以用于生物工程,也可以用于其它领域,例如光伏或传感技术。在一个很小的空间里,固定住的分子可以吸附特殊的化学物质从而到达检测的目的。这样的话,一个微型的三维“芯片实验室”成为可能。