Исследователи из Принстонского университета усовершенствовали технологию 3D-печати. Они научились использовать в качестве рабочего материала не только полимеры и металлы, но и полупроводниковые компоненты. Таким способом можно создавать объёмные электрические схемы. Новый подход также упрощает интеграцию гибкой электроники в биосовместимые материалы, помогая создавать более совершенные имплантаты.

«С картриджем, содержащим «полупроводниковые чернила», появляется возможность печатать схемы для любых задач», – поясняет руководитель исследовательской группы доцент кафедры механической и аэрокосмической инженерии в Принстоне Майкл МакЭлпайн (Michael McAlpine).

Группа исследователей Принстонского университета под руководством Майкла МакЭлпайна (фото: princeton.edu).
Группа исследователей Принстонского университета под руководством Майкла МакЭлпайна (фото: princeton.edu).

Сегодня речь не идёт о печати сложных чипов, вроде микропроцессоров и контроллеров дисплеев. Они могут содержать свыше миллиарда транзисторов, для изготовления которых потребуется достичь разрешения порядка нескольких нанометров. Пока оно недостижимо, однако не везде требуется такая точность.

«Метод полупроводниковой печати можно использовать для контролируемого выращивания нервных тканей, – говорит МакЭлпайн. – Если мы сможем напечатать на подложке крошечные светодиоды, то их свет будет стимулировать отдельные нервные клетки и направлять их миграцию между полимерными волокнами. Также свет может стимулировать нервные окончания, что позволит улучшить взаимодействие с протезом».

Основная проблема «умных» протезов и различных имплантатов состоит в длительном обучении их использованию. Человек должен почувствовать искусственный орган, привыкнуть к нему и научиться управлять. Для этого требуется сформировать устойчивую обратную связь через собственную нервную ткань пациента. Пока это делается опосредованными методами через визуальный и тактильный контроль. Интеграция нервных клеток и микросхем – ещё очень сырое, но перспективное направление.

Бионическое ухо (фото: Frank Wojciechowski).
Бионическое ухо (фото: Frank Wojciechowski).

В прошлом году схожая технология печати использовалась для создания биоэлектронного уха. Оно было изготовлено из собственных клеток пациента, удерживаемых в гидрогелевой матрице. Печать осуществлялась суспензией, содержащей наночастицы серебра. С их помощью в слое гидрогеля сформировали катушку индуктивности. Бионическое ухо стало похоже на портативный радиоприёмник: оно смогло принимать радиоволны, преобразуя их в звук. Затем в группе стали развивать методику 3D-печати и создали новую модификацию, использующую картриджи не только с проводящими, но и с полупроводниковыми материалами.

«Есть ряд проблем взаимодействия электронных материалов с биологическими, – комментирует МакЭлпайн. – В основном они касаются механических свойств и разной температурной устойчивости. Ранее другие исследователи предлагали несколько стратегий для адаптации электроники к живым тканями, но это слияние обычно происходит в плоскости и возможно лишь на поверхности. Наша работа предполагает новый подход: мы будем выращивать биологические компоненты вместе с электронными в 3D».

В качестве доказательства возможностей метода научная группа изготовила ряд прототипов. Этой осенью группа показала миниатюрный светодиод, интегрированный в контактную линзу. По сравнению с бионическим ухом, печать светодиода потребовала большей точности. Разрешение повысили в тысячу раз – с одного миллиметра до микрометра.

Светодиод на квантовых точках, изготовленный методом 3D-печати (изображение: McAlpine et al. / Nano Letters).
Светодиод на квантовых точках, изготовленный методом 3D-печати (изображение: McAlpine et al. / Nano Letters).

Материалом для светодиода послужили квантовые точки на основе селенида кадмия и сульфида цинка. Эти полупроводниковые наночастицы излучают свет (люминесцируют) под действием электрического тока. При создании проводников и контактов устройства использовались два вида металлов, а силиконовая матрица удерживала все элементы конструкции вместе. Группа МакЭлпайна также изготовила полимерный куб, содержащий восемь попарно расположенных светодиодов зелёного и оранжевого цвета.

«Крошечные светодиоды – простейший пример компонентов активной электроники. Когда мы сможем печатать другие, то научимся интегрировать в биологические ткани сенсоры и логические схемы любой сложности», – считает МакЭлпайн.