Высокоточная трехмерная печать требует оборудования, способного создавать детали размером меньше человеческого волоса. Технология нужна, к примеру, в медицине для выращивания живых тканей из клеточного раствора и в микроэлектронике. Главная проблема — стоимость и сложность изготовления печатающих головок. Металлические или пластиковые сопла с отверстием уже 50 микрометров стоят дорого, а при малейшем засорении их приходится выбрасывать.
В живой природе существует множество организмов с инструментами для впрыскивания или выкачивания жидкостей. К ним относятся жала скорпионов, клыки змей и сосущие органы насекомых. Биомимикрия предлагает использовать эти готовые решения в технике. Такой подход решает сразу две задачи: снижает стоимость производства расходных материалов и устраняет проблему утилизации неразлагаемого мусора.
Биоинженеры проанализировали строение различных организмов и остановили выбор на самке комара Aedes aegypti. Результаты опубликованы в журнале Science Advances.
Авторы научной работы аккуратно извлекли хоботок у выращенных в лаборатории насекомых. Его закрепили на стандартной пластиковой насадке шприца с помощью клея. Полученное гибридное устройство установили на специально разработанную платформу, которую назвали «некропринтером».
Комариный хоботок — прочный инструмент для перекачки жидкостей, внутренний диаметр его канала составляет всего 20 микрометров. Это почти в два раза меньше самых тонких коммерческих аналогов и вдвое тоньше человеческого волоса. Природная игла при этом оказалась достаточно жесткой, чтобы сохранять прямую форму при печати и не деформироваться при контакте с подложкой.
Инженеры заполнили шприц биочернилами и запустили процесс экструзии. Основной задачей сначала было определить пределы прочности биологической насадки. Оказалось, что игла выдерживает внутреннее давление около 60 килопаскалей. Эксперименты помогли найти баланс между скоростью движения головки принтера и подачей материала, чтобы линия не прерывалась и не создавала избыточную нагрузку на стенки канала.
С помощью новой системы авторы создали несколько микроскопических объектов для демонстрации возможностей технологии. Они напечатали решетчатую структуру в форме пчелиных сот с тонкими перегородками и воспроизвели контур кленового листа с высокой детализацией.
Линии на готовых изделиях имели ширину от 18 до 28 микрометров. Помимо полимеров, хоботок успешно пропускал через себя раствор с живыми раковыми клетками и эритроцитами, не повреждая их мембраны.
Работа показала, что простой хоботок комара может служить эффективной и дешевой заменой сложным инженерным деталям. Технология позволила создавать микроструктуры с минимальными затратами, поскольку разведение лабораторных насекомых стоит доли цента. В будущем такие возобновляемые биоиглы найдут применение в клинических анализах, микроинженерии и создании клеточных каркасов.