Ученые модифицировали хоботок умершей самки комара, чтобы использовать его для нанесения ультратонких линий биочернилами. Этот природный инструмент для трехмерной печати с использованием биологических материалов, получивший такое название от авторов, продемонстрировал лучшие характеристики по сравнению с искусственными аналогами и позволил сократить затраты на изготовление дорогостоящих микроигл.
Для создания деталей микроразмерных объектов с высокой точностью необходимо специализированное оборудование. Данная технология востребована, например, в медицине для культивирования тканей из клеточных суспензий и в микроэлектронике. Основное препятствие – высокая стоимость и сложность производства печатающих головок. Металлические или пластиковые сопла с отверстиями диаметром 50 микрометров обходятся недешево, и при засорении их необходимо утилизировать.
В живой природе можно найти огромное количество организмов, обладающих механизмами для введения или удаления жидкостей. Примеры таких механизмов – жала скорпионов, клыки змей и ротовые органы насекомых. Биомимикрия предполагает использование этих уже существующих решений в инженерных разработках. Такой метод позволяет одновременно решать две важные задачи: уменьшить затраты на изготовление расходных материалов и ликвидировать проблему утилизации отходов, не подлежащих разложению.
В ходе изучения строения разнообразных живых существ, специалисты в области биоинженерии выбрали самку комара для дальнейших исследований Aedes aegypti. Результаты опубликованы в журнале Science Advances.
Извлечение хоботков из насекомых, выращенных в лабораторных условиях, провели с особой тщательностью. Затем хоботок зафиксировали на стандартной пластиковой насадке шприца с использованием клея. Полученное гибридное устройство поместили на специально разработанную платформу, получившую название «некропринтер».
Комариный хоботок представляет собой надежный инструмент для перекачки жидкостей, диаметр его внутреннего канала едва достигает 20 микрометров. Этот показатель почти вдвое меньше, чем у самых тонких коммерческих аналогов, и вдвое меньше толщины человеческого волоса. При этом природная игла обладает достаточной жесткостью, чтобы сохранять форму и не деформироваться при контакте с поверхностью во время печати.
Специалисты подготовили шприц с биочернилами и начали процедуру экструзии. На начальном этапе необходимо было установить допустимую прочность биологической структуры. В ходе испытаний было установлено, что игла способна выдерживать внутреннее давление приблизительно в 60 килопаскалей. Проведенные эксперименты позволили установить оптимальное соотношение между скоростью перемещения печатающей головки и подачей материала, чтобы избежать разрывов линии и чрезмерного давления на стенки канала.
Благодаря новой системе, авторы изготовили ряд микроскопических изделий, чтобы продемонстрировать потенциал технологии. Была напечатана ячеистая структура, напоминающая соты пчел, с тонкими стенками, а также воссоздан очерк кленового листа с высокой степенью детализации.
Ширина линий на готовых изделиях варьировалась от 18 до 28 микрометров. Помимо использования полимеров, через хоботок проходил раствор, содержащий живые раковые клетки и эритроциты, при этом мембраны клеток не повреждались.
Исследования продемонстрировали, что ротовой аппарат комара может быть действенной и недорогой альтернативой сложным инженерным элементам. Данный подход позволяет создавать микроструктуры с незначительными финансовыми вложениями, так как разведение насекомых в лабораторных условиях обходится в очень небольшую сумму. Ожидается, что в перспективе эти биоиглы, полученные из возобновляемых источников, будут использоваться в клинических исследованиях, микроинженерии и для производства клеточных матриксов.