Mechanical engineering op nanoschaal vereist schone omgeving
Bij het werken op nanoschaal kan zelfs één stofdeeltje storingen veroorzaken. Daarom vind je op de TU Delft Campus verschillende cleanrooms. In de cleanroom van Mechanical Engineering hebben onderzoekers de unieke mogelijkheid om mechanische structuren op nanoschaal te bouwen met een speciale 3D-printer. De resulterende constructies zijn toepasbaar binnen verschillende terreinen, van biologie tot materiaalkunde.
Een pak, haarnetje en handschoenen. Alleen met deze items mag je de cleanroom betreden. Het zorgt ervoor dat de nano-apparaten beschermd zijn tegen stofdeeltjes. Terwijl de cleanrooms van het Kavli Instituut en het Else Koi Laboratorium zich richten op 2D-lithografie gebaseerde productie van micro- en nanoschaalstructuren, richt de cleanroom van de afdeling Precision and Microsystems Engineering (PME) zich op de 3D-productie van dergelijke apparaten, legt universitair docent Murali Ghatkesar uit. "De fabricagemethoden die wij gebruiken zijn meer gericht op snelle productie voor experimenten. We gebruiken krachtige lasers om harde materialen te modelleren en polymeriseren hars om structuren van zachte materialen te bouwen. We doen zelfs aan hybride fabricage waarbij we een 3D-nanostructuur bouwen op een 2D gefabriceerd apparaat. Daarnaast wordt onze cleanroom gebruikt om de mechanische eigenschappen van deze kleine apparaten te onderzoeken", zegt hij.
Subcellulaire biopsie
De cleanroom van PME onderscheidt zich vooral door de faciliteiten voor 3D-productie op nanoschaal en geavanceerde karakterisering. "Deze zijn uniek binnen de TU Delft," zegt Ghatkesar. Hij gebruikt de faciliteit om nano-apparaten te maken waarmee onder andere subcellulaire biopsie kan worden uitgevoerd. Aangezien de meeste bestaande technieken die gebruikt worden om onderdelen van cellen, zoals mitochondriën, te analyseren, vereisen dat de cellen vernield worden, is er behoefte aan precisiemethoden die direct toegang bieden tot de subcellulaire onderdelen om hun rol bij ziekten te ontrafelen. "We 3D-printen een monolithische, microfluïdische en op een draagarm gebaseerde structuur op een lengteschaal van millimeters tot nanometers. Deze kunnen we in slechts één dag produceren voor gebruik in experimenten. Het duurt enkele weken als ik hetzelfde zou moeten maken met lithografie-gebaseerde methoden, en zelfs dan is het onmogelijk om sommige 3D-kenmerken te krijgen”, zegt Ghatkesar. “We onderzoeken het gebruik van zo'n draagarm om subcellulaire componenten direct te benaderen en uit een individuele cel te halen voor verdere verwerking." Er is recentelijk een nieuwe publicatie hierover verschenen in Small Methods.
Murali Ghatkesar
Een dergelijk apparaat kan ook worden gebruikt om de stijfheid en bindingskracht van een individuele cel te meten, wat cruciale informatie is in kankeronderzoek. "Veranderingen in de micromechanische eigenschappen kunnen informatie geven of tumorcellen zullen uitzaaien of niet," legt Ghatkesar uit. Om de mate van precisie te begrijpen van 50 femtoliters (50 x 10-15 L) die hij kan controleren met zijn 3D-geprinte apparaat, vergelijkt Ghatkesar het met de diameter van een menselijke haar. "Er passen ongeveer 10 cellen op de breedte van een enkele haar, en dankzij onze precisie apparaten kunnen we een volume controleren die 20 keer kleiner is dan het interne volume van een individuele cel."
Van hersenkankermodel tot grafeen
Het gebruik van de cleanroom om nanostructuren te fabriceren en te karakteriseren reikt ver. Collega's van Ghatkesar onderzoeken nanostructuren geïnspireerd op de geometrie van de microvasculatuur van de hersenen, waardoor de onderzoekers het effect van protontherapie op agressieve hersenkanker beter kunnen bestuderen. Anderen onderzoeken de antibacteriële eigenschappen van botimplantaten bedekt met een soort stekels op nanoschaal, of gebruiken de faciliteit om de ongewone mechanische eigenschappen van 2D-materialen zoals grafeen te bestuderen.
Onderwijs
Naast onderzoek wordt de cleanroom ook gebruikt voor onderwijsdoeleinden. Masterstudenten van PME en andere afdelingen, voornamelijk Biomechanical Engineering en Delft Centre for Systems and Control, hebben toegang tot de cleanroom en maken hier dankbaar gebruik van.