Инженеры Массачусетского технологического института представили технологию, которая может изменить подход к созданию сложных лекарственных препаратов. Они разработали метод трехмерной печати миниатюрных сопел, способных формировать многослойные микрочастицы. Это решает проблему дороговизны и сложности производства подобных устройств, открывая путь к массовому выпуску систем доставки медикаментов с заданным временем высвобождения.
Как работают трехслойные распылители
Созданные учеными устройства называются триаксиальными электрораспылителями. Их главная особенность заключается в способности одновременно работать с тремя разными жидкостями, которые не смешиваются друг с другом. Процесс происходит под воздействием электрического поля: жидкости выталкиваются через микроскопические кольцевые сопла, образуя тончайшую струю.
В результате формируются капли с четкой трехслойной структурой. Каждая такая капля состоит из внешней оболочки, промежуточного слоя и внутреннего ядра. После затвердевания получаются микрочастицы, которые можно использовать в медицине или для создания самовосстанавливающихся материалов.
Преимущества трехмерной печати перед чистыми комнатами
Ранее подобные устройства изготавливали в специализированных цехах для производства микрочипов. Этот процесс требовал огромных затрат времени и средств. Использование методов микрофабрикации ограничивало форму и размеры деталей, делая массовый выпуск сопел практически невозможным.
Группа исследователей под руководством Луиса Фернандо Веласкеса-Гарсии предложила использовать технологию послойного фотополимерного отверждения. Она позволяет создавать сложные трехмерные объекты за несколько часов. В отличие от традиционных методов, печать дает возможность сразу формировать внутри устройства запутанную сеть микроканалов.
Авторы работы отмечают, что в условиях полупроводникового производства собрать такую конструкцию не удалось бы. Трехмерная печать позволила «сжать» сложную систему коммуникаций в компактный блок размером с одноцентовую монету.
Устройство напечатанного блока сопел
Один печатный модуль содержит сразу 16 сопел, размещенных на площади около одного квадратного сантиметра. Чтобы все они работали одинаково эффективно, инженеры спроектировали внутри корпуса спиральные микроканалы. Они подводят жидкость к каждому соплу, обеспечивая равномерное давление.
Ключевые элементы конструкции включают:
- систему трехмерных микроканалов для подачи трех типов жидкости;
- спиральные трубки, которые позволяют сохранять компактность устройства;
- сопла из трех концентрических трубок, идеально выровненные относительно друг друга;
- гладкие внутренние стенки, исключающие засорение остатками смолы.
Благодаря такой архитектуре сопла в массиве не мешают друг другу. Исследователям удалось добиться того, что каждый элемент работает независимо, не создавая помех соседним.
Точность и контроль параметров частиц
Главная сложность при создании многослойных капель — сохранение стабильности их формы. Ученые выяснили, что решающую роль здесь играет вязкость среднего слоя жидкости. Именно он выступает каркасом, удерживающим структуру капли в момент формирования.
Настраивая напряжение и скорость подачи жидкости, оператор может с высокой точностью задавать толщину каждого слоя будущей микрочастицы. Это критически важно для фармакологии, где нужно рассчитать время растворения оболочки в разных средах.
Мы хотим сделать эту технологию доступной, чтобы ее преимущества ощутили как можно больше людей.
По словам разработчиков, такая гибкость позволяет создавать «умные» частицы. Например, внешний слой может растворяться в кислой среде желудка, а внутреннее ядро — высвобождать лекарство только в определенном отделе кишечника.
Перспективы использования в медицине и технике
Технология находит применение далеко за пределами фармацевтики. Исследователи видят потенциал в создании искусственных клеток для восстановления тканей и биосенсоров, способных обнаруживать химические вещества. Многослойная структура позволяет помещать внутрь частицы сразу несколько типов маркеров или активных компонентов.
Процесс печати описан в статье для журнала Virtual and Physical Prototyping. Использование этого метода позволяет быстро менять дизайн устройства, если эксперимент показал необходимость доработки. В классической микроэлектронике такие итерации заняли бы месяцы, а печать позволяет внести правки за один день.
В будущем команда планирует уменьшить размеры сопел еще сильнее. Это позволит снизить рабочее напряжение и увеличить производительность. Также инженеры намерены внедрять в печатные детали токопроводящие материалы для создания более совершенных систем управления.
Разработка уже привлекла внимание специалистов по созданию композитных материалов. Триаксиальные распылители могут стать основой для производства покрытий, которые способны «залечивать» микротрещины самостоятельно при повреждении внешнего слоя.
Доступность оборудования — еще один важный фактор. Поскольку для печати не требуется дорогостоящее оборудование уровня заводов микросхем, подобные массивы сопел смогут производить даже небольшие лаборатории. Это ускорит внедрение новых видов терапии и материалов в реальную практику.
