Ultratynde optiske fibre tilbyder en ny måde at 3D-printe mikrostrukturer på

For første gang, forskere har vist, at en optisk fiber så tynd som et menneskehår kan bruges til at skabe mikroskopiske strukturer med laserbaseret 3D-print. Den innovative tilgang kan en dag blive brugt med et endoskop til at fremstille små biokompatible strukturer direkte ind i væv inde i kroppen. Denne evne kunne muliggøre nye måder at reparere vævsskader på.

"Med yderligere udvikling kunne vores teknik muliggøre endoskopiske mikrofabrikationsværktøjer, der ville være værdifulde under operationen, " sagde leder af forskningsteamet Paul Delrot, fra École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Schweiz. "Disse værktøjer kan bruges til at udskrive mikro- eller nanoskala 3D-strukturer, der letter vedhæftningen og væksten af ​​celler for at skabe konstrueret væv, der genopretter beskadiget væv."

I tidsskriftet The Optical Society (OSA). Optik Express , forskerne viser, at deres nye tilgang kan skabe mikrostrukturer med en 1,0 mikron lateral (side-til-side) og 21,5 mikron aksial (dybde) printopløsning. Selvom disse mikrostrukturer blev skabt på et objektglas, tilgangen kunne være nyttig til at studere, hvordan celler interagerer med forskellige mikrostrukturer i dyremodeller, som ville være med til at bane vejen for endoskopisk udskrivning hos mennesker.

For at skabe mikrostrukturerne, forskerne dyppede enden af ​​en optisk fiber i en væske kendt som fotopolymer, der størkner, eller helbreder, når den belyses med en bestemt lysfarve. De brugte den optiske fiber til at levere og digitalt fokusere laserlys punkt for punkt ind i væsken for at bygge en tredimensionel mikrostruktur.

Ved at printe sarte detaljer på store dele, det nye ultrakompakte mikrofremstillingsværktøj kunne også være et nyttigt supplement til nutidens kommercielt tilgængelige 3D-printere, der bruges til alt fra hurtig prototyping til fremstilling af personligt medicinsk udstyr. "Ved at bruge ét printerhoved med lav opløsning til bulkdelene og vores enhed som et sekundært printerhoved til de fine detaljer, multi-opløsning additiv fremstilling kunne opnås, " sagde Delrot.

Forenkling af opsætningen

Nuværende laserbaserede mikrofremstillingsteknikker er afhængige af et ikke-lineært optisk fænomen kaldet to-foton fotopolymerisation for selektivt at hærde et volumen dybt inde i et flydende lysfølsomt materiale. Disse teknikker er vanskelige at bruge til biomedicinske applikationer, fordi to-foton-fotopolymerisering kræver komplekse og dyre lasere, der udsender meget korte impulser samt omfangsrige optiske systemer til at levere lyset.

"Vores gruppe har ekspertise i at manipulere og forme lys gennem optiske fibre, hvilket fik os til at tro, at mikrostrukturer kunne printes med et kompakt system. Ud over, at gøre systemet mere overkommeligt, vi udnyttede en fotopolymer med en ikke-lineær dosisrespons. Dette kan fungere med en simpel kontinuerlig bølgelaser, så dyre pulserende lasere var ikke påkrævet, " sagde Delrot.

For selektivt at hærde en bestemt mængde materiale, forskerne udnyttede et kemisk fænomen, hvor størkning kun sker over en vis tærskel for lysintensitet. Ved at udføre en detaljeret undersøgelse af lysscanningsparametrene og fotopolymerens opførsel, forskerne opdagede de bedste parametre for at bruge dette kemiske fænomen til at printe mikrostrukturer ved hjælp af en lav-effekt, billig laser, der udsender kontinuerligt (i stedet for pulserende).

For at skabe hule og solide mikrostrukturer, forskerne brugte en organisk polymer precursor dopet med fotoinitiator lavet af kemiske komponenter. De fokuserede en kontinuerlig bølgelaser, der udsender lys ved 488 nanometer bølgelængde - lys med synlig bølgelængde, der er potentielt sikkert for celler - gennem en optisk fiber, der er lille nok til at passe i en sprøjte. Ved at bruge en fremgangsmåde kendt som bølgefrontformning var de i stand til at fokusere lyset inde i fotopolymeren, så kun et lille 3D-punkt blev hærdet. Udførelse af et kalibreringstrin forud for mikrofabrikation gjorde det muligt for dem at digitalt fokusere og scanne laserlys gennem den ultratynde optiske fiber uden at flytte fiberen.

"Sammenlignet med to-foton fotopolymerisations state-of-the-art systemer, vores enhed har en grovere udskriftsopløsning, imidlertid, det er potentielt tilstrækkeligt at studere cellulære interaktioner og kræver ikke omfangsrige optiske systemer eller dyre pulserende lasere, " sagde Delrot. "Da vores tilgang ikke kræver komplekse optiske komponenter, det kunne tilpasses til brug med nuværende endoskopiske systemer."

Bevæger sig mod klinisk brug

Forskerne arbejder på at udvikle biokompatible fotopolymerer og et kompakt fotopolymer leveringssystem, som er nødvendige, før teknikken kan bruges i mennesker. En hurtigere scanningshastighed er også nødvendig, men i tilfælde, hvor instrumentstørrelsen ikke er kritisk, denne begrænsning kunne overvindes ved at bruge et kommercielt endoskop i stedet for den ultratynde fiber. Endelig, en teknik til at færdiggøre og efterbehandle den trykte struktur inde i kroppen er nødvendig for at skabe mikrostrukturer med biomedicinske funktioner.

"Vores arbejde viser, at 3D mikrofabrikation kan opnås med andre teknikker end at fokusere en højeffekt femtosekund pulseret laser, " sagde Delrot. "Brug af mindre komplekse lasere eller lyskilder vil gøre additiv fremstilling mere tilgængelig og skabe nye muligheder for applikationer som den, vi demonstrerede."