Serat optik ultra-tipis menawarkan cara baru untuk mikrostruktur cetak 3-D

Opening Keynote (Cloud Next '19) (Juni 2019).

Anonim

Untuk pertama kalinya, para peneliti telah menunjukkan bahwa serat optik setipis rambut manusia dapat digunakan untuk membuat struktur mikroskopis dengan pencetakan 3D berbasis laser. Pendekatan inovatif mungkin suatu hari nanti dapat digunakan dengan endoskopi untuk membuat struktur biokompatibel kecil langsung ke jaringan di dalam tubuh. Kemampuan ini dapat memungkinkan cara-cara baru untuk memperbaiki kerusakan jaringan.

"Dengan pengembangan lebih lanjut teknik kami dapat memungkinkan alat microfabrication endoskopi yang akan berharga selama operasi, " kata pemimpin tim peneliti Paul Delrot, dari École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Swiss. "Alat-alat ini dapat digunakan untuk mencetak struktur 3D mikro atau nano skala yang memfasilitasi adhesi dan pertumbuhan sel untuk menciptakan jaringan rekayasa yang memulihkan jaringan yang rusak."

Dalam The Optical Society (OSA) jurnal Optics Express, para peneliti menunjukkan bahwa pendekatan baru mereka dapat membuat struktur mikro dengan resolusi lateral 1.0-mikron (sisi ke sisi) dan 21, 5-mikron (kedalaman). Meskipun mikrostruktur ini dibuat pada slide mikroskop, pendekatan ini dapat berguna untuk mempelajari bagaimana sel berinteraksi dengan berbagai mikrostruktur pada model binatang, yang akan membantu membuka jalan bagi pencetakan endoskopi pada manusia.

Untuk membuat mikrostruktur, para peneliti mencelupkan ujung serat optik ke dalam cairan yang dikenal sebagai photopolymer yang membeku, atau menyembuhkan, ketika diterangi dengan warna cahaya tertentu. Mereka menggunakan serat optik untuk menyampaikan dan secara digital memfokuskan sinar laser titik demi titik ke dalam cairan untuk membangun mikrostruktur tiga dimensi.

Dengan mencetak detail halus ke bagian besar, alat mikrofabrikasi ultra-kompak yang baru juga bisa menjadi tambahan yang bermanfaat untuk printer 3D yang tersedia secara komersial saat ini yang digunakan untuk segala hal mulai dari pembuatan prototipe yang cepat hingga membuat perangkat medis yang dipersonalisasi. "Dengan menggunakan satu kepala printer dengan resolusi rendah untuk sebagian besar dan perangkat kami sebagai kepala printer sekunder untuk detail halus, manufaktur aditif multi-resolusi dapat dicapai, " kata Delrot.

Menyederhanakan pengaturan

Teknik mikrofabrikasi berbasis laser saat ini bergantung pada fenomena optik non-linear yang disebut fototopionisasi dua-foton untuk secara selektif menyembuhkan volume jauh di dalam bahan fotosensitif cair. Teknik-teknik ini sulit digunakan untuk aplikasi biomedis karena fotopolimerisasi dua-foton membutuhkan laser yang kompleks dan mahal yang memancarkan pulsa yang sangat pendek serta sistem optik yang besar untuk menghasilkan cahaya.

"Kelompok kami memiliki keahlian dalam memanipulasi dan membentuk cahaya melalui serat optik, yang membuat kami berpikir bahwa mikrostruktur dapat dicetak dengan sistem yang kompak. Selain itu, untuk membuat sistem lebih terjangkau, kami mengambil keuntungan dari photopolymer dengan respon dosis nonlinear Ini dapat bekerja dengan laser gelombang kontinyu sederhana, sehingga laser pulsed mahal tidak diperlukan, "kata Delrot.

Untuk secara selektif menyembuhkan volume spesifik bahan, para peneliti mengambil keuntungan dari fenomena kimia di mana pemadatan hanya terjadi di atas ambang batas tertentu dalam intensitas cahaya. Dengan melakukan studi mendetail tentang parameter pemindaian cahaya dan perilaku photopolymer, para peneliti menemukan parameter terbaik untuk menggunakan fenomena kimia ini untuk mencetak mikrostruktur menggunakan daya rendah, laser murah yang memancarkan terus menerus (bukan pulsed).

Untuk menciptakan struktur mikro yang berongga dan padat, para peneliti menggunakan prekursor polimer organik yang didoping dengan photoinitiator yang terbuat dari komponen kimia off-the-shelf. Mereka memfokuskan sinar laser pemancar gelombang kontinyu pada panjang gelombang 488-nanometer — cahaya panjang gelombang yang dapat dilihat yang berpotensi aman bagi sel — melalui serat optik yang cukup kecil untuk dimasukkan ke dalam syringe. Menggunakan pendekatan yang dikenal sebagai wavefront membentuk mereka mampu memfokuskan cahaya di dalam photopolymer sehingga hanya titik 3D kecil yang disembuhkan. Melakukan langkah kalibrasi sebelum microfabrication memungkinkan mereka untuk memfokuskan secara digital dan memindai sinar laser melalui serat optik ultra-tipis tanpa memindahkan serat.

"Dibandingkan dengan sistem dua-foton photopolymerization state-of-the-art, perangkat kami memiliki resolusi pencetakan yang lebih kasar, namun cukup berpotensi untuk mempelajari interaksi seluler dan tidak memerlukan sistem optik besar atau laser pulsed mahal, " kata Delrot. "Karena pendekatan kami tidak memerlukan komponen optik yang rumit, itu bisa disesuaikan untuk digunakan dengan sistem endoskopi saat ini."

Bergerak menuju penggunaan klinis

Para peneliti bekerja untuk mengembangkan photopolymers biokompatibel dan sistem pengiriman photopolymer kompak, yang diperlukan sebelum teknik ini dapat digunakan pada manusia. Kecepatan pemindaian lebih cepat juga diperlukan, tetapi dalam kasus di mana ukuran instrumen tidak kritis, keterbatasan ini dapat diatasi dengan menggunakan endoskopi komersial daripada serat ultra-tipis. Akhirnya, teknik untuk menyelesaikan dan pasca-proses struktur cetak di dalam tubuh diperlukan untuk membuat struktur mikro dengan fungsi biomedis.

"Pekerjaan kami menunjukkan bahwa mikrofabrikasi 3D dapat dicapai dengan teknik selain fokus pada femsosecond pulsed laser berkekuatan tinggi, " kata Delrot. "Menggunakan laser atau sumber cahaya yang kurang kompleks akan membuat manufaktur aditif lebih mudah diakses dan menciptakan peluang baru aplikasi seperti yang kami demonstrasikan."

menu
menu