Voor de eerste keer, onderzoekers hebben aangetoond dat een optische vezel zo dun als een mensenhaar kan worden gebruikt om microscopische structuren te creëren met lasergebaseerd 3D-printen. De innovatieve benadering zou ooit kunnen worden gebruikt met een endoscoop om minuscule biocompatibele structuren rechtstreeks in weefsel in het lichaam te fabriceren. Deze mogelijkheid zou nieuwe manieren kunnen bieden om weefselschade te herstellen.

"Met verdere ontwikkeling zou onze techniek endoscopische microfabricagetools mogelijk kunnen maken die waardevol zouden zijn tijdens operaties, " zei onderzoeksteamleider Paul Delrot, van de École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Zwitserland. "Deze tools kunnen worden gebruikt om 3D-structuren op micro- of nanoschaal af te drukken die de hechting en groei van cellen vergemakkelijken om geconstrueerd weefsel te creëren dat beschadigde weefsels herstelt."

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Express , de onderzoekers laten zien dat hun nieuwe aanpak microstructuren kan creëren met een afdrukresolutie van 1,0 micron lateraal (side-to-side) en 21,5 micron axiale (diepte). Hoewel deze microstructuren op een microscoopglaasje zijn gemaakt, de aanpak kan nuttig zijn om te bestuderen hoe cellen interageren met verschillende microstructuren in diermodellen, wat zou helpen de weg vrij te maken voor endoscopisch printen bij mensen.

Om de microstructuren te maken, de onderzoekers doopten het uiteinde van een optische vezel in een vloeistof die bekend staat als fotopolymeer en die stolt, of geneest, wanneer verlicht met een bepaalde kleur licht. Ze gebruikten de optische vezel om laserlicht puntsgewijs in de vloeistof te leveren en digitaal te focussen om een ​​driedimensionale microstructuur te bouwen.

Door delicate details op grote onderdelen te printen, de nieuwe ultracompacte microfabricagetool zou ook een nuttige aanvulling kunnen zijn op de tegenwoordig commercieel beschikbare 3D-printers die voor alles worden gebruikt, van rapid prototyping tot het maken van gepersonaliseerde medische apparaten. "Door één printerkop met een lage resolutie te gebruiken voor de bulkonderdelen en ons apparaat als secundaire printerkop voor de fijne details, additieve fabricage met meerdere resoluties kan worden bereikt, ' zei Delrot.

Vereenvoudiging van de installatie

De huidige op laser gebaseerde microfabricagetechnieken zijn gebaseerd op een niet-lineair optisch fenomeen dat twee-foton-fotopolymerisatie wordt genoemd om selectief een volume diep in een vloeibaar lichtgevoelig materiaal uit te harden. Deze technieken zijn moeilijk te gebruiken voor biomedische toepassingen omdat twee-foton-fotopolymerisatie complexe en dure lasers vereist die zeer korte pulsen uitzenden, evenals omvangrijke optische systemen om het licht te leveren.

"Onze groep heeft expertise in het manipuleren en vormgeven van licht via optische vezels, wat ons ertoe bracht te denken dat microstructuren met een compact systeem konden worden afgedrukt. In aanvulling, om het systeem betaalbaarder te maken, we maakten gebruik van een fotopolymeer met een niet-lineaire dosisrespons. Dit kan werken met een eenvoudige continue-golflaser, dus dure gepulseerde lasers waren niet nodig, ' zei Delrot.

Om selectief een bepaald volume materiaal uit te harden, de onderzoekers maakten gebruik van een chemisch fenomeen waarbij stolling pas optreedt boven een bepaalde drempel in lichtintensiteit. Door een gedetailleerde studie uit te voeren van de lichtscanparameters en het gedrag van het fotopolymeer, de onderzoekers ontdekten de beste parameters om dit chemische fenomeen te gebruiken om microstructuren te printen met een laag vermogen, goedkope laser die continu uitzendt (in plaats van gepulseerd).

Om holle en solide microstructuren te creëren, de onderzoekers gebruikten een organische polymeerprecursor gedoteerd met foto-initiator gemaakt van kant-en-klare chemische componenten. Ze focusten een continue-golflaser die licht uitstraalt op een golflengte van 488 nanometer - licht met zichtbare golflengte dat potentieel veilig is voor cellen - door een optische vezel die klein genoeg is om in een injectiespuit te passen. Met behulp van een benadering die bekend staat als golffrontvorming, waren ze in staat om het licht in het fotopolymeer te focussen, zodat slechts een klein 3D-punt werd uitgehard. Door een kalibratiestap uit te voeren voorafgaand aan microfabricage, konden ze laserlicht digitaal focussen en scannen door de ultradunne optische vezel zonder de vezel te verplaatsen.

"Vergeleken met ultramoderne systemen voor fotopolymerisatie met twee fotonen, ons apparaat heeft een grovere afdrukresolutie, echter, het is potentieel voldoende om cellulaire interacties te bestuderen en vereist geen omvangrijke optische systemen of dure gepulseerde lasers, " zei Delrot. "Omdat onze aanpak geen complexe optische componenten vereist, het kan worden aangepast voor gebruik met de huidige endoscopische systemen."

Op weg naar klinisch gebruik

De onderzoekers werken aan de ontwikkeling van biocompatibele fotopolymeren en een compact fotopolymeerafgiftesysteem, die nodig zijn voordat de techniek bij mensen kan worden gebruikt. Er is ook een hogere scansnelheid nodig, maar in gevallen waar de instrumentgrootte niet kritisch is, deze beperking zou kunnen worden overwonnen door een commerciële endoscoop te gebruiken in plaats van de ultradunne vezel. Eindelijk, een techniek om de geprinte structuur in het lichaam te finaliseren en na te bewerken is nodig om microstructuren met biomedische functies te creëren.

"Ons werk laat zien dat 3D-microfabricage kan worden bereikt met andere technieken dan het focussen van een krachtige femtoseconde gepulseerde laser, "Zei Delrot. "Het gebruik van minder complexe lasers of lichtbronnen zal additieve fabricage toegankelijker maken en nieuwe mogelijkheden creëren voor toepassingen zoals degene die we hebben gedemonstreerd."