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成為「3D 畫家」的雷射光束

在微米尺度下創造三維物體的方法有很多。但材料的化學性質如何在微米的精確度下被調整呢?維也納科技大學(Vienna University of Technology)的科學家已開發出一種方法,能使分子精確地附著到正確的位置上。當生物組織生長時,這種方法允許化學訊號定位,告訴活細胞該往何處附著。這種新技術可望為感應器技術帶來希望:能創造出微小的三維「實驗室晶片(lab on a chip)」,在其中,定位精確的分子與來自環境的物質反應。

材料科學與化學

「3D-photografting(3D 光嫁接)是這種新方法的名字。二個來自維也納科技大學的研究團隊密切合作開發它-Professor Jurgen Stampfl 的材料科學團隊以及 Professor Robert Liska 的巨分子化學研究小組。」

二個研究小組過去都受到密切關注,正開發新型 3D 印表機。然而,對科學家目前正在進行的研究來說,3D 印表機並不管用:「從微小的、具不同化學性質的基石拼湊出某種材料,會非常複雜,」Aleksandr Ovsianikov 說。「那就是為何我們從三維支架(scaffold)開始,接著將想要的分子精確附著在正確的位置上。」

水凝膠中分子利用雷射固定位置

科學家從一種以巨分子製成的材料,所謂的水凝膠(hydrogel)開始,以一種鬆散的網狀組織(meshwork,網絡)排列。在這些分子間,仍留有大型孔隙,其他分子或甚至是細胞都能遷移通過。

特別的是,所選擇的分子被引入水凝膠網絡中,然後某些以雷射光束輻照。在這些位置上,聚焦的雷射光最強烈,光化學上不穩定的鍵結(labile bond)破裂。在那種情況下,具高度反應性的中間產物被創造出來,局部地、非常迅速地附著到水凝膠上。精確度端看雷射的透鏡系統,在維也納科技大學,可達到 4 μm 的解析度。「十分像一位藝術家,將顏色放置在畫布(canvas)的某些點上,我們能將分子置於水凝膠中 — 不過是三維的且具高精確性,」Aleksandr Ovsianikov 說。

細胞的化學訊號

這種方法可用來以人工方式生長生物組織。如同藤蔓植物纏繞在植物架上,細胞需要某些支架讓它們能夠附著。在天然組織中,細胞外基質( extracellular matrix)藉由使用特殊的胺基酸序列,發訊給那些它們認為會生長的細胞。

在實驗中,科學家試圖利用類似化學訊號。在各種實驗中,細胞附著能在二維的平面上被引導,但為了要生長更大的、具內部特殊構造的組織(例如毛系血管),需要真正的三維技術。

微感應器偵測分子

依靠這項應用,能使用不同的分子。3D 光嫁接並不僅對生物工程有用,其他領域也一樣,例如光伏或感應器技術。在非常小的空間中,分子能被定位,那附著到特定化學基質上,讓它們能被偵測。微型三維「實驗室晶片」將成為可能。

資料來源:The laser beam as a “3D painter" phys.org [August 27, 2012]

轉載自 only perception

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