Forskere udvikler 3-D mikrostrukturer, der reagerer på temperatur og lys

Mekanisk analyse af en pNIPAM-blok fremstillet ved 3D-laserlitografi. a) Optisk mikrofotografi i AFM med overlejrede indikationer for kraftmålingerne og linjescanningen. Skalaen er 50 µm. b) Målt Youngs modul som funktion af temperatur for en trinvis opvarmning og afkøling af prøven. c) Højdemåling via line-scanning fra glassubstratet oven på pNIPAM-blokken. De forskellige farver viser flere cyklusser af opvarmning og afkøling. Kredit:Hippler et al.

Et team af forskere ved Karlsruhe Institute of Technology (KIT) og Heidelberg Universitet har for nylig introduceret funktionelle 3-D hetero-mikrostrukturer baseret på Poly (N-isopropylacrylamid) (pNIPAM), en polymer, der reagerer på ændringer i temperatur tæt på sin lavere kritiske løsning temperatur.

Stimuli-responsive mikrostrukturer er af afgørende betydning for skabelsen af tilpasningsdygtige systemer, som kan have interessante anvendelser inden for blød robotteknologi og biovidenskab. Til praktisk anvendelse, imidlertid, materialer skal være kompatible med vandige miljøer og samtidig muliggøre fremstilling af 3-D strukturer, for eksempel, ved hjælp af 3D-print.

"3D-print ved direkte laserskrivning er en kraftfuld teknik, der muliggør fremstilling af næsten alle vilkårlige stabile strukturer i mikrometerområdet, "Marc Hippler, en af de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte TechXplore. "Imidlertid, til mange applikationer, især inden for det biomedicinske område, det er ønskeligt at ændre egenskaberne af den resulterende mikrostruktur efter behov, da dette muliggør skridtet fra passive til aktive systemer. Vi ønskede at præsentere en kraftfuld og alsidig teknik til at skabe sådanne strukturer."

For at opnå komplekse aktiveringsmønstre, forskere skal bruge materialer, der reagerer forskelligt på ydre stimuli, såsom temperatur og lys. Hippler og hans kolleger udviklede således nye 3-D hetero-mikrostrukturer baseret på N-isopropylacrylamid, en temperaturfølsom monomer, der er kommercielt tilgængelig.

Stimuli-responsive pNIPAM-ventiler i PETA-mikrokanaler. a) 3D-rekonstruktion af eksperimentelle data optaget via konfokal laserscanningsmikroskopi. To forskellige farvekanaler er blevet optaget, tillader at adskille fluorescensen fra PETA'en med den grønne fluorescerende DETC og den fra pNIPAM med den røde fluorescerende rhodaminfarve. De tilsvarende iso-intensitetsoverflader er farvet i turkis og grå, henholdsvis. Ved opvarmning af prøven til 45 °C, åbningen i midten udvides. Denne proces er reversibel, når prøven køles ned igen. b) Åbent område i midten af mikrokanalen ved 20 °C og 45 °C for flere stimuleringscyklusser. Vi finder ingen væsentlig forringelse. c) Alternativt design med et ekstra indvendigt rør og to pNIPAM-tori. Fuldstændig lukning af mikrokanalen kan opnås på en reversibel måde. Skala søjler er 30 µm. Kredit:Hippler et al.

"Et vigtigt mål med vores undersøgelse var at opnå stærke svar med en 'mild' stimulus, " sagde Hippler. "Ved at øge temperaturen kun lidt over stuetemperatur holder vi os i et fysiologisk område, hvilket gør systemet interessant til biologiske anvendelser. Man kunne, for eksempel, tænk på enkeltceller i 3-D stilladser, der er mekanisk stimuleret af deres omgivelser. Vi viste også, at denne teknik kunne være nyttig til andre områder, såsom mikrofluidik eller blød robotik."

Hippler og hans kolleger viste, at ved at ændre den lokale eksponeringsdosis i 3-D laserlitografi, materialeparametrene kunne ændres efter behov. De undersøgte derefter denne mulighed yderligere for at skabe 3D-arkitekturer med stor amplitude og komplekse svar.

Ved at bruge deres metode, forskerne med succes skabte aktive strukturer, der udviser en stor amplitude-respons på ændringer i temperatur. Ud over, de viste, at disse strukturers reaktion kan aktiveres både globalt, ved at ændre vandtemperaturen, og lokalt, ved at belyse den ønskede mikrostruktur med laserfokus.

Temperaturinduceret aktivering ved hjælp af pNIPAM-baserede hetero-mikrostrukturer. a) Skema af bi-materiale hetero-strukturer med de to materialer fremhævet i grønt og gråt, lavere og højere dosis eksponering, henholdsvis. Disse kan sammenlignes med 3D-rekonstruktioner af målte fluorescensbilledstabler. De to temperaturer T =20 °C og T =45 °C er fremhævet med blåt og rødt, henholdsvis. Bjælkerne starter lige ved T =20 °C og er buede ved T =45 °C. b krumning, dvs. invers radius opnået ved at tilpasse en cirkel til de eksperimentelle data, kontra temperatur. Det højre sidepanel viser resultatet af tolv temperaturcyklusser uden forringelse (fejlbjælker er s.d.). c) Lysfeltsoptiske mikrofotografier af et 3 × 3-array af nominelt identiske strukturer for at demonstrere reproducerbarheden. d) Temperaturafhængighed af fem strukturer med forskellige bjælkelængder forberedt under identiske fremstillingsbetingelser. Skala søjler er 20 µm i a og b og 50 µm i c og d. Kredit:Hippler et al.

"Vi demonstrerede en meget alsidig og kraftfuld teknik, som kan bruges og bruges af andre mennesker, " sagde Hippler. "Jeg tror, at tre af de vigtigste aspekter af vores undersøgelse er skabelsen af materialer med stort set forskellige egenskaber ud af en enkelt fotoresist, den stærke aktivering som følge af en mild stimulus og muligheden for at bruge lys til at udløse responsen. På grund af denne alsidighed, vi fokuserede ikke på en bestemt applikation, men fremhævede forskellige muligheder."

I fremtiden, disse resultater kunne danne grundlag for udviklingen af materialer med applikationer inden for en række forskellige områder, herunder mikrofluidik, blød robotik og biovidenskab. Hippler vil nu fortsætte med at arbejde på dette system, specielt med fokus på biologiske forsøg.

"Desuden vi vil undersøge andre stimuli-responsive materialesystemer med interessante egenskaber, der kunne bruges til direkte laserskrivning, " han sagde.

Sidste artikelMobiltelefonmikroskop registrerer den tavse dræber af honningbier

Næste artikelNy beregningsmetode reducerer risikoen for lægemiddelformulering