新薬開発を促進するナノスケールの 4D プリント技術

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(Nanoscale 4D Printing Technique May Speed Development of New Therapeutics)

2020/3/6 ニューヨーク市立大学 (CUNY)

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・ ニューヨーク大学(CUNY) Advanced Science Research Center (ASRC)とノースウェスタン大学が、複雑な細胞表面のパターンを再現した表面の作製を可能にする、Polymer Brush Hypersufrace Photolithography と称する 4D プリンティング技術を開発。
・ 同技術では、有機化学、界面化学とナノリソグラフィーを組み合わせ、微細な有機・生体分子の精密に設計されたナノパターン表面を構築する。この 4D プリントで作製した表面は、創薬研究、バイオセンサー開発や先進的なオプティクスをはじめ様々な応用が可能。
・ バイオ分子を用いた表面のパターン作製ではリソグラフィ技術の導入が進んでいるが、細胞表面のような複雑なパターンを構築できる高度なシステムは未だ開発されていない。このようなシステムは、生きた細胞の再現や相互作用の理解に役立つ合成セルの作製に利用でき、医薬品や他のバイオ関連技術の迅速な開発の可能性を拓くもの。
・ 同技術は、高コストなフォトマスクやクリーンルームでの煩雑なプロセスを用いることなく、多様な材料による表面パターン構築を可能にする有機化学の新ツール。ユーザーの想像力と有機化学の知識レベルにより、アプリケーションの可能性は無限大と考える。
・ 微細な有機・生体物質の多重化アレイを作る、同技術のマスクフリーのプリンターは、他のバイオマテリアルプリンティング技術の様々な制限を克服し、各ボクセルに正確な構造と特定の化学組成を持たせた 4D オブジェクトを作製。
・ 同技術の概念実証では、自由の女神像の形状を作製。正確な光量を用いるポリマーブラシパターンにより、各ボクセルのポリマーの高さを制御する。マイクロ流体と光源が協働することで、各ピクセルの化学組成を調整する。
・ 効果的なツールを提供する高分子化学のイノベーションは、前世紀を通して技術の進展に主要な役割を担ってきた。今回の研究成果は、高度な制御・調整による自由な構造の作製、その構造の特性の明確化と他のポリマーへの広い適用を可能にするようなインターフェイスへと、これまでのイノベーションを拡張するものと考える。
・ 今後は、同技術の新しいプリンティングプラットフォームの開発を継続し、システム速度の向上とピクセル寸法の低減を図る。また、パターン作製可能な材料の種類の拡張に向け、新しい化学物質の開発を目指す。現在、同技術のプラットフォームで作製したパターンを利用することで、生物システムの認識を決定する微小な相互作用の理解を試みている。
・ 本研究は 、米国立科学財団 (NSF)、米国防総省(DOD)の多分野大学研究 イ ニ シ ア チ ブ (Multidisciplinary University Research Initiative: MURI)および米空軍研究所(AFOSR)の資金により支援された。
URL: https://asrc.gc.cuny.edu/headlines/2020/03/nanoscale-4d-printing-technique-may-speeddevelopment-of-new-therapeutics/

(関連情報)
Nautre Communications 掲載論文(フルテキスト) Polymer brush hypersurface photolithography
URL: https://www.nature.com/articles/s41467-020-14990-x

<NEDO海外技術情報より>

Abstract

Polymer brush patterns have a central role in established and emerging research disciplines, from microarrays and smart surfaces to tissue engineering. The properties of these patterned surfaces are dependent on monomer composition, polymer height, and brush distribution across the surface. No current lithographic method, however, is capable of adjusting each of these variables independently and with micrometer-scale resolution. Here we report a technique termed Polymer Brush Hypersurface Photolithography, which produces polymeric pixels by combining a digital micromirror device (DMD), an air-free reaction chamber, and microfluidics to independently control monomer composition and polymer height of each pixel. The printer capabilities are demonstrated by preparing patterns from combinatorial polymer and block copolymer brushes. Images from polymeric pixels are created using the light reflected from a DMD to photochemically initiate atom-transfer radical polymerization from initiators immobilized on Si/SiO2 wafers. Patterning is combined with high-throughput analysis of grafted-from polymerization kinetics, accelerating reaction discovery, and optimization of polymer coatings.

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