Никто не любит делать уколы. «Они причиняют боль», — говорит инженер Хоун Ли из Университета Ратгерс в Пискатауэй, штат Нью-Джерси. «Я ненавижу их, и все ненавидят их». Но они являются эффективным способом введения защитных вакцин и лекарств. Таким образом, Ли помог разработать новый тип микроиглы, который едва ощущается.

Ученые годами работали над миниатюрными иглами. Идея в том, чтобы вводить жидкое лекарство, но с такой маленькой иглой, что не причиняет боли. Микроигла вонзается в кожу так же глубоко, как обычная игла, но это тоже имеет и обратную сторону. Большинство таких устройств гладкие, отмечает Ли. Они не могут оставаться на месте достаточно долго, чтобы ввести полную дозу лекарств.

Вот где работа Ли отличается. Его группа представила новое устройство с микроиглами, которое может дольше держаться на коже. При разработке команда добавила несколько небольших зубцов, обращенных в обратную сторону, к поверхности игл. Эти зубцы закрепляют устройство на коже. Группа Ли рассказала о своем нововведении 10 марта в «Advanced Functional Materials».

Вдохновленный природой дизайн

«Колючки» могут звучать болезненно, но не волнуйтесь. Они торчат всего около 450 микрометров (0,02 дюйма). Это примерно толщина ногтя мизинца. Укусы существ в дикой природе вдохновили на такой дизайн. Ли задумался «Как мы можем имитировать, природу которая делает такие вещи?». Москит откачивает кровь иглой с зазубренными шпорами на его поверхности. Черви используют набухшую трубочку для кормления, называемую хоботком, чтобы закрепиться в стенках кишки. Жала медоносной пчелы имеют обратные зубцы.

«Мы знаем, что природа действительно хороша в этом», — говорит Кэндис Маевски. «Таким образом, имитация природы — это хороший подход к дизайну». Маевский — инженер-механик в университете Шеффилда в Англии.

Исследователи проверили свое новое устройство, уколов его в сырую курицу, а затем вытащив его. Самая «липкая» конструкция имела шесть микроигл в каждом ряду, каждая игла имела свою собственную группу зубцов. Они сообщили, что при такой установке их устройство оказалось более прочным, чем другие конструкции с микроиглами.

Печать в 4-D

Ли начал работать над проектом в 2016 году с инженером Джузеппе Бариларо в Пизанском университете в Италии. Бариларо много лет работал над микроиглами. И Ли имел опыт работы с 3-D печатью.

Инженеры использовали вид трехмерной печати для создания микроигл. 3-D печать включает создание объекта, воспроизводя его слой за слоем. Для «чернил» в этом принтере исследователи использовали специальное решение, сочетающее материал, называемый полимером, со светопоглощающим химическим веществом. Эта смесь затвердевает и становится прочной при воздействии ультрафиолетового света. Для их процесса они напечатали слой раствора, усилили его ультрафиолетовым излучением, а затем добавили следующий слой. Они повторяли эти шаги снова и снова, чтобы построить весь объект.

Чтобы сделать зубцы микроиглы, исследователи воспользовались любопытным эффектом этого типа 3-D печати. При нанесении толстым слоем раствор не затвердевает равномерно. Поверхность становится неровной или изогнутой. Зная это, ученые напечатали толстые зубцы, торчащие горизонтально из главного стержня микроиглы. Под воздействием ультрафиолетового света зубцы изогнулись в противоположную сторону от основного стержня микроиглы.

Группа не достигла успеха сразу, отмечает Ли. Найти правильный материал для использования было сложно. 3-D принтеры печатают с нагретой жидкостью, которая остывает, чтобы стать твердой. Здесь они должны были найти материал, который стал бы прочным и гипким, не ломаясь при воздействии света.

Маевски разрабатывает новые приложения для 3-D печати. По ее словам, новая работа показывает, как ученые становятся умнее в отношении способов ее использования. Поскольку устройство меняет форму после печати, инженеры описывают свой метод как «4-D печать». (Четвертое измерение — время, так как устройство меняет форму после печати.)

Маевски говорит: «4-D печать становится все более распространенной». Через годы проб и ошибок инженеры узнают, как ведут себя разные материалы при печати. И это позволяет им печатать объекты, которые могут меняться — например, зазубрины — даже после того, как они созданы. «Эти достижения получены благодаря лучшему пониманию того, что происходит с научной точки зрения в процессе печати».