Дослідники розробили новий матеріал для 3D-друку, структура якого відтворює окремі властивості живих тканин. Технологія отримала назву JIBEs — Jammed Interconnected Bilayer Emulsions. Матеріал складається з мільярдів мікроскопічних крапель, з’єднаних тонкими мембранами. Розробку розглядають як платформу для біомедичних технологій, м’якої робототехніки, нових обчислювальних систем і селективної фільтрації речовин. Повідомляє сайт Kirovograd з посиланням на Nature Materials.
Як влаштований новий матеріал JIBEs
Ключова особливість JIBEs — мережа мікроскопічних водних крапель, які щільно контактують одна з одною. Між ними формуються надтонкі мембрани, завдяки чому вся структура набуває властивостей, характерних для біологічних тканин.
Для отримання матеріалу використовують два масла з різною розчинністю. Під час змішування в системі утворюється велика кількість дрібних водних крапель. Потім суміш поміщають у центрифугу, де краплі ущільнюються та формують взаємопов’язану структуру.
У місцях контакту виникають тонкі мембранні шари. У результаті утворюється щільна мережа, в якій кожна окрема крапля зберігає власну оболонку, але водночас є частиною більшої системи.
Важливою перевагою методу стала швидкість виробництва. Значні обсяги JIBEs можна отримувати протягом кількох хвилин, що спрощує масштабування технології.
Матеріал може вибірково пропускати молекули
Структура JIBEs працює не лише як механічний каркас. Мембрани між краплями можна налаштовувати так, щоб вони пропускали одні молекули та затримували інші.
Саме ця властивість наближає матеріал до принципів роботи клітинних мембран. У живих організмах вони контролюють переміщення речовин між клітинами та навколишнім середовищем.
Для 3D-друку така керована проникність має особливе значення. Надрукована структура може не просто зберігати задану форму, а виконувати функції сортування та транспортування певних речовин.
JIBEs розглядають для створення штучних тканин
Одним із напрямів застосування технології є біомедицина. Біосумісність і гнучкість матеріалу дозволяють досліджувати можливість створення структур, які відтворюють окремі характеристики людських тканин.
JIBEs потенційно може використовуватися як основа для вирощування або формування імплантованих тканинних конструкцій. Технологія також може бути корисною для 3D-друку складних м’яких структур, у яких необхідно контролювати обмін речовинами між окремими ділянками.
Водночас розробка поки не означає можливості друку повноцінних функціональних людських органів для трансплантації. Йдеться про матеріальну платформу, властивості якої можуть бути використані у подальших дослідженнях тканинної інженерії.
Матеріал адаптують для нейроморфних обчислень
Ще один напрям роботи пов’язаний з передаванням електричних сигналів. До мембранної структури JIBEs можна вбудовувати спеціальні білки, які забезпечують проходження іонних струмів.
Такий механізм нагадує окремі процеси, що відбуваються у біологічних клітинах. Іони відіграють ключову роль у передаванні сигналів між нейронами, тому керовані іонні потоки становлять інтерес для розробників нейроморфних обчислювальних систем.
На основі подібних матеріалів дослідники планують створювати системи, принцип роботи яких частково відтворює біологічні механізми обробки інформації.
Технологію можуть застосовувати для очищення води та видобутку літію
Мембранні властивості JIBEs відкривають можливості не лише для медицини. Матеріал можна модифікувати для вибіркового захоплення або пропускання конкретних речовин.
Серед можливих напрямів — вилучення літію та рідкісноземельних елементів із сумішей. Селективні мембрани можуть відокремлювати потрібні компоненти від інших речовин.
Інший напрям — очищення промислових стічних вод. Зокрема, модифіковані структури можуть використовуватися для видалення амонію. Таким чином, одна базова технологія може отримувати різні властивості залежно від складу мембран.
Виробництво не потребує складного обладнання
Автори технології зробили акцент на можливості масштабування. Для створення JIBEs використовуються відносно поширені лабораторні процеси — змішування компонентів і центрифугування.
Метод не прив’язаний до складних лазерних систем, які застосовуються в окремих технологіях високоточного 3D-друку. Це потенційно спрощує виготовлення великих обсягів матеріалу та проведення експериментів у лабораторіях із базовим обладнанням.
Методику вже запатентували дослідники Аїда Фіка та Маніш Кумар. Окремий напрям подальших робіт стосується технологій селективного вилучення літію.