Ny multi-materiale 3-D nanoprinting strategi kan revolutionere optikken, fotonik og biomedicin

Ingeniører ved University of Maryland (UMD) har skabt en ny multi-materiale 3-D nanoprinting-teknik, der blev vist på indersiden af ​​forsiden af ​​21. juli-udgaven af ​​Lab on a Chip.

Holdets nye teknik - der er i stand til at udskrive små multi-materiale strukturer en brøkdel af størrelsen af ​​et menneskehår - tilbyder forskerne en hurtigere, billigere, og mere nøjagtige midler til 3-D-print af disse meget komplekse strukturer, fordi processen bruger en meget enkel støbeproces, der er meget udbredt i de fleste mikrofluidiklaboratorier.

For at demonstrere deres nye tilgang, forskerne 3-D nanoprintede en række multi-materiale komponenter, inklusive en fem-materiale DNA-struktur, en multi-materiale "micro-cello, " og et mikro-UMD-logo i fire materialer.

"Ved at give forskere en tilgængelig måde til 3D nanoprint multi-materiale systemer, der ikke kun er meget hurtigere, men også mere præcise end konventionelle metoder, dette arbejde åbner døre for nye applikationer, der kræver mikrostrukturer med flere materialer, og til gengæld flere funktioner, " sagde Ryan Sochol, en assisterende professor i maskinteknik og bioteknik ved UMD's A. James Clark School of Engineering.

I en anvendelse af denne nye tilgang, Sochol's Bioinspired Advanced Manufacturing (BAM) Laboratory samarbejder med Food and Drug Administration om at anvende denne strategi på 3-D nanoprint dele af det menneskelige øje, der omfatter kompleks anatomi med varierende optiske egenskaber.

Andrew Lamont, hovedforfatter på undersøgelsen og en ph.d. studerende i bioingeniør ved UMD, præsenterede tidlige resultater af holdets forskning på den internationale konference om mikroelektromekaniske systemer (MEMS) i Seoul, Korea i sidste januar, hvor værket blev udvalgt til konferencens Outstanding Paper Award.

I det seneste årti, forskere har kæmpet for at 3-D nanoprint strukturer med mere end ét materiale, da konventionelle teknikker er begrænset med hensyn til tid, koste, arbejdskraft, og multimateriale opløsning. Mens 3-D udskrivningsteknologier har udviklet sig meget i de seneste år, udskrivning i meget små skalaer er fortsat vanskelig.

"Desværre, tidligere udfordringer har kun resulteret i en håndfuld fremskridt baseret på multi-materiale 3-D nanoprinting, med langt de fleste kun to materialer, " sagde Lamont, som udviklede tilgangen som en del af sin doktorgradsforskning. "Men med vores strategi, forskere kan nemt 3-D nanoprint-systemer med et stort antal integrerede materialer med hastigheder og størrelser, som ikke er mulige med konventionelle metoder."

Clark School-teamet har indgivet to amerikanske foreløbige patenter for deres strategi, som er baseret på en proces kaldet "in-situ direkte laserskrivning" og arbejde udgivet tidligere i år. Multi-materiale strukturer er 3-D nanoprintet direkte inde i mikrokanaler, med distinkte flydende materialer indlæst i kanalen en ad gangen til materialespecifik udskrivning. Når udskrivningsprocessen er afsluttet, mikrokanalkabinettet kan fjernes, efterlader fuldt integrerede multi-materiale 3-D strukturer på en brøkdel af tiden, dog med bedre præcision end den nyeste.

"Denne nye evne til 3-D nanoprint-systemer, der omfatter materialer med målkemikalie, biologiske, elektriske, optisk, og/eller mekaniske egenskaber, " sagde Sochol, "tilbyder en lovende vej til gennembrud på områder, herunder lægemiddellevering, avanceret optik, meta-materialer, og mikrorobotik."