हाइड्रोजेल की 3डी प्रिंटिंग के लिए अनुकूलित इलेक्ट्रॉन और एक्स-रे सूक्ष्मदर्शी

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Anonim
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अमेरिकी और इतालवी वैज्ञानिकों ने 3डी प्रिंटिंग हाइड्रोजेल संरचनाओं के लिए एक नई विधि विकसित की है जिसका रिज़ॉल्यूशन 100 नैनोमीटर से कम है और बिना फोटोइनिटिएटर के उपयोग के। यह बहुलक अग्रदूतों को ठोस बनाने के लिए एक केंद्रित इलेक्ट्रॉन प्रवाह या एक्स-रे विकिरण का उपयोग करता है, जबकि जीवित कोशिकाओं के लिए सुरक्षित खुराक पर, इसलिए, इस तरह, आगे के अध्ययन के लिए हाइड्रोजेल में कोशिकाओं या सूक्ष्मजीवों को तय किया जा सकता है, लेख के लेखक एसीएस नैनो कहते हैं।

3डी प्रिंटिंग में एक्सट्रूज़न के तरीके सबसे आम हैं, जिसमें एक तरल पदार्थ को नोजल से निचोड़ा जाता है और जम जाता है। विधियों का दूसरा बड़ा समूह, जो चिकित्सा में अधिक लोकप्रिय है, तरल पूर्ववर्तियों को ठोस बनाने के लिए विकिरण का उपयोग करता है। उदाहरण के लिए, लेज़र स्टीरियोलिथोग्राफी (SLA) की विधि में, एक लेज़र बीम, आमतौर पर पराबैंगनी रेंज में, बहुलक अग्रदूतों के साथ पोत के नीचे स्लाइड करती है, जिसके कारण फोटोक्यूरेबल पदार्थ बहुलक अग्रदूत के "क्रॉसलिंकिंग" की प्रक्रिया शुरू करता है। इसके ध्यान के स्थानों में अणु।

इसके अलावा अपेक्षाकृत हाल ही में, FEBID विधि सामने आई है, जिसमें जमने के लिए पराबैंगनी विकिरण का उपयोग नहीं किया जाता है, बल्कि इलेक्ट्रॉनों की एक धारा होती है। यह एक छोटी ट्यूब का उपयोग करता है जो नमूना सतह पर गैस चरण की आपूर्ति करता है, जिसके अणु, भौतिक सोखना के कारण, सतह की परतों में प्रवेश करते हैं और इलेक्ट्रॉन प्रवाह की क्रिया के तहत अलग हो जाते हैं। नतीजतन, अवशिष्ट अणु सतह पर रहते हैं, फिर प्रक्रिया को ट्यूब से गैस की एक नई मात्रा के साथ दोहराया जाता है। यह विधि नैनोमीटर प्रिंट रिज़ॉल्यूशन प्राप्त करती है, लेकिन इस तथ्य के कारण कि यह एक वैक्यूम कक्ष के साथ एक स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप का उपयोग करता है, इसका उपयोग सामान्य तरल अग्रदूतों के साथ नहीं किया जा सकता है, जिसमें चिकित्सा अनुसंधान में आवश्यक हाइड्रोजेल का निर्माण भी शामिल है।

यूएस नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ स्टैंडर्ड एंड टेक्नोलॉजी के आंद्रेई कोलमाकोव के नेतृत्व में वैज्ञानिकों ने दिखाया है कि इलेक्ट्रॉन या एक्स-रे का उपयोग तरल अग्रदूतों के साथ भी किया जा सकता है। वैज्ञानिकों ने दो ऐसे कैमरे बनाए हैं जो स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के अनुकूल हैं। पूर्ववर्ती आपूर्ति के लिए ट्यूबों के साथ कक्ष आकार में गोल थे और शीर्ष पर एक कटआउट था। इस कटआउट में, वैज्ञानिकों ने एक सिलिकॉन वेफर स्थापित किया जिसमें नौ सिलिकॉन नाइट्राइड खिड़कियां 50 नैनोमीटर मोटी और 100 माइक्रोमीटर चौड़ी, इलेक्ट्रॉनों और एक्स-रे के लिए पारदर्शी थीं। प्लेट कक्ष में कटआउट की दीवारों से भली भांति जुड़ी होती है और एक वायुमंडल के दबाव ड्रॉप का सामना करने में सक्षम होती है, जो तब बनता है जब माइक्रोस्कोप के कार्य क्षेत्र से हवा को बाहर निकाला जाता है।

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मुद्रण के लिए कैमरा डिजाइन

चैंबर के अंदर, वैज्ञानिकों ने पॉलीइथाइलीन ग्लाइकॉल डायक्रिलेट (PEGDA) का 20% जलीय घोल खिलाया, और फिर वांछित पैटर्न का पता लगाते हुए इलेक्ट्रॉनों या एक्स-रे की एक केंद्रित धारा को स्थानांतरित किया। गठित संरचना को विकिरण मापदंडों को बदलकर नियंत्रित किया जा सकता है: बीम ऊर्जा, विकिरण तीव्रता, कदम या धारण समय (वह समय जो बीम एक बिंदु पर खर्च करता है)। नतीजतन, तरल अग्रदूत "क्रॉसलिंक्ड" होता है और तरल में एक हाइड्रोजेल संरचना बनती है।

इलेक्ट्रॉन विकिरण के तहत अणुओं का "क्रॉसलिंकिंग" दो तंत्रों के अनुसार होता है, जिसके बीच संबंध कई कारकों पर निर्भर करता है: प्रतिक्रियाशील समूहों का प्रत्यक्ष सक्रियण जब एक इलेक्ट्रॉन हिट करता है या समाधान अणुओं का रेडियोलिसिस होता है, जिसके परिणामस्वरूप कई अलग-अलग मुक्त कण बनते हैं जो सुविधा प्रदान करते हैं। मोनोमर्स का संयोजन। इस मामले में, पोलीमराइजेशन मुख्य रूप से रेडियोलिसिस के कारण होता है।

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विकिरण की क्रिया के तहत मोनोमर बंधन का तंत्र

हाइड्रोजेल संरचनाओं के नमूनों का अध्ययन और उनके मापदंडों की गणना के साथ तुलना करते हुए, लेखकों ने पाया कि वास्तव में संरचनाओं के बारीक विवरण का आकार बहुत बड़ा हो जाता है। उन्होंने सुझाव दिया कि इसका कारण इस तथ्य में निहित है कि रेडियोलिसिस के दौरान बनने वाले मुक्त कणों के पास प्रतिक्रिया से पहले समाधान में एक निश्चित दूरी तय करने का समय होता है। वैज्ञानिकों ने शुरू में सोचा था कि हाइड्रॉक्साइड आयन इसके लिए जिम्मेदार थे, लेकिन सिमुलेशन ने दिखाया कि उनके जीवनकाल और इसलिए उनके पथ की लंबाई आकार में अंतर को समझाने के लिए अपर्याप्त थी। नतीजतन, उन्होंने पाया कि, सबसे अधिक संभावना है, समाधान के विकिरण के दौरान गठित हाइड्रोपरॉक्सिल आयन इस प्रक्रिया के लिए जिम्मेदार हैं। एक्स-रे के संपर्क में आने पर, समान प्रक्रियाएं होती हैं, लेकिन इलेक्ट्रॉन सीधे समाधान में प्रवेश नहीं करते हैं, लेकिन बरमा प्रभाव के कारण। इस मुद्रण पद्धति में एक्स-रे के बीच मुख्य तकनीकी अंतर यह है कि वे अग्रदूत समाधान को अधिक गहराई तक प्रवेश करते हैं और तदनुसार, गहरी संरचनाओं को मुद्रित करने की अनुमति देते हैं।

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इलेक्ट्रॉन विकिरण द्वारा मुद्रित संरचनाओं का उदाहरण

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एक्स-रे क्वांटा के साथ विकिरण द्वारा मुद्रित संरचनाओं का उदाहरण

वैज्ञानिकों ने दिखाया है कि इस पद्धति का उपयोग न केवल प्रत्यक्ष मुद्रण के लिए किया जा सकता है, बल्कि हाइड्रोजेल में वस्तुओं को पकड़ने के लिए भी किया जा सकता है। उन्होंने सोने के नैनोकणों और जीवित कोशिकाओं के साथ इसका प्रदर्शन किया। दूसरे मामले में, हाइड्रोजेल में कोशिकाओं को ठीक करने की क्षमता के अलावा, यह पता लगाना आवश्यक था कि क्या विकिरण स्तर कोशिकाओं के लिए महत्वपूर्ण होगा। लेखकों ने Caco-2 मानव एडेनोकार्सिनोमा सेल लाइन का इस्तेमाल किया और उन्हें 10 केवी की ऊर्जा और प्रति वर्ग नैनोमीटर आठ इलेक्ट्रॉनों की औसत विकिरण खुराक के साथ एक इलेक्ट्रॉन बीम के साथ विकिरणित किया। पहले, वैज्ञानिकों ने समाधान में संशोधित फ्लोरेक्सॉन जोड़ा, जो कोशिकाओं द्वारा अवशोषित होता है और फ्लोरोसेंट फ्लोरेक्सन में बदल जाता है, जो झिल्ली झिल्ली से बाहर तक जाने में असमर्थ होता है। अध्ययन से पता चला है कि हाइड्रोजेल में स्थिरीकरण के बाद कोशिकाओं ने फ्लोरेक्सॉन का उत्पादन जारी रखा, जो कोशिका झिल्ली की अखंडता की पुष्टि करता है।

दूरस्थ अनुप्रयोगों में से एक के रूप में, लेखक हाइड्रोजेल का उपयोग करके इलेक्ट्रोड के लिए न्यूरॉन्स के कनेक्शन पर विचार करते हैं। हाल ही में, संयुक्त राज्य अमेरिका के शोधकर्ताओं के एक अन्य समूह ने तंत्रिका जांच को प्रिंट करने के लिए एक विधि प्रस्तुत की और यह प्रदर्शित किया कि जांच को माउस के मस्तिष्क से कैसे जोड़ा जाए।

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