Mekanisk analys av ett pNIPAM-block tillverkat med 3D-laserlitografi. a) Optisk mikrofotografi i AFM med överlagrade indikationer för kraftmätningarna och linjeskanningen. Skalstången är 50 µm. b) Uppmätt Youngs modul som funktion av temperatur för en stegvis uppvärmning och kylning av provet. c) Höjdmätning via linjeskanning från glassubstratet ovanpå pNIPAM-blocket. De olika färgerna visar flera cykler av uppvärmning och kylning. Kredit:Hippler et al.
Ett team av forskare vid Karlsruhe Institute of Technology (KIT) och Heidelbergs universitet har nyligen introducerat funktionella 3-D hetero-mikrostrukturer baserade på Poly (N-isopropylakrylamid) (pNIPAM), en polymer som reagerar på temperaturförändringar nära dess lägre kritiska lösning temperatur.
Stimuli-känsliga mikrostrukturer är av avgörande betydelse för skapandet av anpassningsbara system, som kan ha intressanta tillämpningar inom mjuk robotik och biovetenskap. För praktisk tillämpning, dock, material måste vara kompatibla med vattenhaltiga miljöer samtidigt som de möjliggör tillverkning av 3D-strukturer, till exempel, med 3D-utskrift.
"3D-utskrift med direkt laserskrivning är en kraftfull teknik som möjliggör tillverkning av nästan alla godtyckliga stabila strukturer i mikrometerområdet, "Marc Hippler, en av forskarna som genomförde studien, berättade för TechXplore. "Dock, för många applikationer, speciellt inom det biomedicinska området, det är önskvärt att ändra egenskaperna hos den resulterande mikrostrukturen på begäran, eftersom detta möjliggör steget från passiva till aktiva system. Vi ville presentera en kraftfull och mångsidig teknik för att skapa sådana strukturer."
För att uppnå komplexa aktiveringsmönster, forskare måste använda material som reagerar olika på yttre stimuli, som temperatur och ljus. Hippler och hans kollegor utvecklade alltså nya 3D-hetero-mikrostrukturer baserade på N-isopropylakrylamid, en temperaturkänslig monomer som är kommersiellt tillgänglig.
Stimuli-responsiva pNIPAM-ventiler i PETA-mikrokanaler. a) 3D-rekonstruktion av experimentella data inspelade via konfokal laserskanningsmikroskopi. Två olika färgkanaler har spelats in, tillåta att separera fluorescensen från PETA med den gröna fluorescerande DETC och den från pNIPAM med den röda fluorescerande rhodaminfärgen. Motsvarande iso-intensitetsytor är färgade i turkos och grått, respektive. Vid uppvärmning av provet till 45 °C, öppningen i mitten vidgas. Denna process är reversibel när provet kyls ner igen. b) Öppet område i mitten av mikrokanalen vid 20 °C och 45 °C för flera stimuleringscykler. Vi finner ingen betydande försämring. c) Alternativ design med ytterligare ett innerslang och två pNIPAM-tori. Fullständig stängning av mikrokanalen kan uppnås på ett reversibelt sätt. Skalstaplar är 30 µm. Kredit:Hippler et al.
"Ett viktigt mål med vår studie var att uppnå starka svar med en "mild" stimulans, ", sa Hippler. "Genom att öka temperaturen bara något över rumstemperaturen håller vi oss inom ett fysiologiskt område, vilket gör systemet intressant för biologiska tillämpningar. En kan, till exempel, tänk på enstaka celler i 3D-ställningar som stimuleras mekaniskt av sin miljö. Vi visade också att denna teknik kan vara användbar för andra områden, såsom mikrofluidik eller mjuk robotik."
Hippler och hans kollegor visade att genom att ändra den lokala exponeringsdosen i 3-D laserlitografi, materialparametrarna kan ändras på begäran. De undersökte sedan denna möjlighet ytterligare för att skapa 3D-arkitekturer med stor amplitud och komplexa svar.
Med hjälp av deras metod, forskarna skapade framgångsrikt aktiva strukturer som uppvisar ett svar med stor amplitud på förändringar i temperatur. Dessutom, de visade att responsen från dessa strukturer kan aktiveras både globalt, genom att ändra vattentemperaturen, och lokalt, genom att belysa önskad mikrostruktur med laserfokus.
Temperaturinducerad aktivering med pNIPAM-baserade hetero-mikrostrukturer. a) Schema av bi-material heterostrukturer med de två materialen markerade i grönt och grått, lägre och högre dosexponering, respektive. Dessa kan jämföras med 3D-rekonstruktioner av uppmätta fluorescensbildstaplar. De två temperaturerna T =20 °C och T =45 °C är markerade i blått och rött, respektive. Balkarna börjar rakt vid T =20 °C och är krökta vid T =45 °C. b Krökning, dvs. omvänd radie som erhålls genom att en cirkel anpassas till experimentdata, mot temperatur. Den högra sidopanelen visar resultatet av tolv temperaturcykler utan försämring (felstaplar är s.d.). c) Ljusfältsoptiska mikrofotografier av en 3 × 3 array av nominellt identiska strukturer för att visa reproducerbarheten. d) Temperaturberoende av fem strukturer med olika balklängder preparerade under identiska tillverkningsförhållanden. Skalstaplar är 20 µm i a och b och 50 µm i c och d. Kredit:Hippler et al.
"Vi visade en mycket mångsidig och kraftfull teknik som kan användas och användas av andra människor, ", sa Hippler. "Jag tror att tre av de viktigaste aspekterna av vår studie är skapandet av material med mycket olika egenskaper ur en enda fotoresist, den starka aktiveringen på grund av en mild stimulans och möjligheten att använda ljus för att utlösa responsen. På grund av denna mångsidighet, vi fokuserade inte på en viss applikation, men lyfte fram olika möjligheter."
I framtiden, dessa fynd skulle kunna ge information till utvecklingen av material med tillämpningar inom en mängd olika områden, inklusive mikrofluidik, mjuk robotik och biovetenskap. Hippler kommer nu att fortsätta arbeta med detta system, specifikt inriktad på biologiska experiment.
"Dessutom, vi kommer att undersöka andra stimuli-responsiva materialsystem med intressanta egenskaper som kan användas för direkt laserskrivning, " han sa.
© 2019 Science X Network
