För första gången, forskare har visat att en optisk fiber så tunn som ett människohår kan användas för att skapa mikroskopiska strukturer med laserbaserad 3D-utskrift. Det innovativa tillvägagångssättet kan en dag användas med ett endoskop för att tillverka små biokompatibla strukturer direkt i vävnad inuti kroppen. Denna förmåga kan möjliggöra nya sätt att reparera vävnadsskador.

"Med vidareutveckling kan vår teknik möjliggöra endoskopiska mikrofabrikationsverktyg som skulle vara värdefulla under operationen, "sa forskningsteamledaren Paul Delrot, från École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Schweiz. "Dessa verktyg kan användas för att skriva ut mikro- eller nanoskala 3D-strukturer som underlättar vidhäftning och tillväxt av celler för att skapa konstruerad vävnad som återställer skadade vävnader."

I tidskriften The Optical Society (OSA) Optik Express , forskarna visar att deras nya tillvägagångssätt kan skapa mikrostrukturer med en 1,0-mikron lateral (sida-till-sida) och 21,5-mikron axiell (djup) utskriftsupplösning. Även om dessa mikrostrukturer skapades på ett objektglas av mikroskop, tillvägagångssättet kan vara användbart för att studera hur celler interagerar med olika mikrostrukturer i djurmodeller, vilket skulle hjälpa till att bana väg för endoskopisk utskrift hos människor.

För att skapa mikrostrukturerna, forskarna doppade änden av en optisk fiber i en vätska som kallas fotopolymer som stelnar, eller botemedel, när den belyses med en specifik ljusfärg. De använde den optiska fibern för att leverera och digitalt fokusera laserljus punkt för punkt i vätskan för att bygga en tredimensionell mikrostruktur.

Genom att skriva ut känsliga detaljer på stora delar, det nya ultrakompakta mikrofabriceringsverktyget kan också vara ett användbart tillägg till dagens kommersiellt tillgängliga 3D-skrivare som används för allt från snabba prototyper till tillverkning av personlig medicinsk utrustning. "Genom att använda ett skrivarhuvud med låg upplösning för bulkdelarna och vår enhet som ett sekundärt skrivarhuvud för de fina detaljerna, additiv tillverkning med flera upplösningar kan uppnås, sa Delrot.

Förenkla installationen

Nuvarande laserbaserade mikrofabriceringstekniker förlitar sig på ett olinjärt optiskt fenomen som kallas tvåfotonfotopolymerisering för att selektivt härda en volym djupt inuti ett flytande ljuskänsligt material. Dessa tekniker är svåra att använda för biomedicinska tillämpningar eftersom fotopolymerisering med två foton kräver komplexa och dyra lasrar som avger mycket korta pulser samt skrymmande optiska system för att leverera ljuset.

"Vår grupp har expertis i att manipulera och forma ljus genom optiska fibrer, vilket fick oss att tro att mikrostrukturer kan skrivas ut med ett kompakt system. Dessutom, för att göra systemet mer överkomligt, vi utnyttjade en fotopolymer med ett olinjärt dosrespons. Detta kan fungera med en enkel kontinuerlig våglaser, så dyra pulserande lasrar krävdes inte, sa Delrot.

För att selektivt härda en specifik volym material, forskarna utnyttjade ett kemiskt fenomen där stelning endast sker över en viss tröskel i ljusintensitet. Genom att utföra en detaljerad studie av ljusskanningsparametrarna och fotopolymerens beteende, forskarna upptäckte de bästa parametrarna för att använda detta kemiska fenomen för att skriva ut mikrostrukturer med låg effekt, billig laser som avger kontinuerligt (snarare än pulserande).

För att skapa ihåliga och fasta mikrostrukturer, forskarna använde en organisk polymerprekursor dopad med fotoinitiator gjord av kemiska komponenter från hyllan. De fokuserade en kontinuerlig våglaser som avger ljus vid 488 nanometer våglängd-synligt våglängdsljus som är potentiellt säkert för celler-genom en optisk fiber som är tillräckligt liten för att passa i en spruta. Med hjälp av ett tillvägagångssätt som kallas vågfrontsformning kunde de fokusera ljuset inuti fotopolymeren så att endast en liten 3D -punkt härdades. Genom att utföra ett kalibreringssteg före mikrofabrikation fick de digitalt fokusera och skanna laserljus genom den ultratunna optiska fibern utan att flytta fibern.

"Jämfört med tvåfotonfotopolymerisering toppmoderna system, vår enhet har en grövre utskriftsupplösning, dock, det är potentiellt tillräckligt för att studera cellulära interaktioner och kräver inte skrymmande optiska system eller dyra pulserande lasrar, "sa Delrot." Eftersom vårt tillvägagångssätt inte kräver komplexa optiska komponenter, den kan anpassas för användning med nuvarande endoskopiska system. "

Går mot klinisk användning

Forskarna arbetar med att utveckla biokompatibla fotopolymerer och ett kompakt fotopolymerleveranssystem, som är nödvändiga innan tekniken kan användas hos människor. En snabbare skanningshastighet behövs också, men i de fall instrumentets storlek inte är kritisk, denna begränsning kan övervinnas genom att använda ett kommersiellt endoskop istället för den ultratunna fibern. Till sist, en teknik för att slutföra och efterbehandla den tryckta strukturen inuti kroppen krävs för att skapa mikrostrukturer med biomedicinska funktioner.

"Vårt arbete visar att 3D-mikrofabricering kan uppnås med andra tekniker än att fokusera en femtosekundpulserad laser med hög effekt, "sa Delrot." Att använda mindre komplexa lasrar eller ljuskällor kommer att göra additiv tillverkning mer tillgänglig och skapa nya möjligheter för applikationer som den vi visade. "