Science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Nanoprinten in de vrije ruimte voorbij de optische grenzen om functionele 4D-structuren te creëren

Processchema, demonstratie en mechanisme van OFB. (A) Procesdiagram van OFB-schilderen in de vrije ruimte. (B) Scanning-elektronenmicroscopie (SEM) afbeeldingen van kalligrafie (volg de lijnen van Chinese karakters). De SEM-afbeeldingen van 3D-structuren, namelijk vogelnest (C), DNA (D), spinnenweb (E), paviljoen (F) en C60 (G). (H) Lijnbreedtes en vereiste stollingsdrempels voor verschillende principes. NP's, nanodeeltjes. (I) Verband tussen stollingssnelheid en laservermogen. (J) Verwerkingstijd van de gelaagde printmethode en OFB. TPP, polymerisatie met twee fotonen. Credit:Wetenschappelijke vooruitgang , DOI:10.1126/sciadv.adg0300

Twee-fotonenpolymerisatie is een potentiële methode voor nanofabricage om nanomaterialen te integreren op basis van op femtoseconde lasers gebaseerde methoden. Uitdagingen op het gebied van 3D-nanoprinten zijn onder meer langzaam laag-voor-laag printen en beperkte materiaalopties als gevolg van laser-materie-interacties.



In een nieuw rapport nu over Wetenschappelijke vooruitgang Chenqi Yi en een team van wetenschappers in de technologische wetenschappen, geneeskunde en industriële techniek aan de Wuhan University China en de Purdue University U.S., toonden een nieuwe 3D-nanoprinting-aanpak, bekend als nanoprinting in de vrije ruimte, door gebruik te maken van een optische krachtborstel.

Dit concept stelde hen in staat nauwkeurige en ruimtelijke schrijfpaden te ontwikkelen die de optische grenzen overstijgen om 4D-functionele structuren te vormen. De methode vergemakkelijkte de snelle aggregatie en stolling van radicalen om polymerisatie met verhoogde gevoeligheid voor laserenergie te vergemakkelijken, om zeer nauwkeurig schilderen in de vrije ruimte mogelijk te maken, net zoals Chinees penseelschilderen op papier.

Met behulp van deze methode verhoogden ze de printsnelheid om met succes een verscheidenheid aan bionische spiermodellen te printen die zijn afgeleid van 4D-nanostructuren met afstembare mechanische eigenschappen als reactie op elektrische signalen met uitstekende biocompatibiliteit.

Apparaattechniek

Nanoapparaten en nanostructuren kunnen met hoge resolutie en snelheid worden ontwikkeld om producten van de volgende generatie te vormen. De halfgeleiderindustrie kan lithografie, depositie en etsen gebruiken om 3D-structuren uit een verscheidenheid aan materialen te creëren, hoewel de hoge verwerkingskosten en de beperkte selectie van materialen de flexibele fabricage van 3D-structuren van functionele materialen kunnen beïnvloeden.

Materiaalwetenschappers hebben femtoseconde laser direct schrijven op basis van twee fotonenpolymerisatie gebruikt om complexe 3D-nanostructuren te creëren met behulp van micro-/nanopolymeren om fotonische quasi-kristallen, metamaterialen en nanoarchitecturen te vormen.

Deze methode wordt echter nog steeds beperkt door een lage printsnelheid, trapsgewijze oppervlaktetexturen en beperkte door licht uithardbare materialen. In dit werk hebben Yi et al. onderzocht laserschrijven in de vrije ruimte om te analyseren hoe het fotochemische krachten oplevert om op optische kracht gebaseerde nanopainting te bewerkstelligen.

Procesmodellering, principes en parametrische studie van OFB. (A) Compleet proces van laserbestraling met vrije radicalen in oplossing door simulatie, deeltjesverdelingstoestand (links) bij laservermogen en -tijd, respectievelijk bij 50, 100, 150 en 200 mW en 4000, 8000, 12.000 en 16.000 ns; snelheidsverdeling (midden) aan het einde van de laserbestraling; en deeltjesverdelingstoestand (rechts) in z-as aan het einde van de laserbestraling. (B) Krachten op vrije radicalen ter hoogte van de tailleradius van de laserstraal. (C) Relatie tussen vrije radicalendichtheid en relatieve afstand en verschillend vermogen versus lijnbreedte bij de stollingsdrempel. (D) Simulatieresultaten en SEM-beelden van een OFB-proces met een scansnelheid van 10 μm/s en variërende laserintensiteiten voor een staaf met continu variërende diameters van 120 tot 400 nm en continue kralen met abrupt variërende diameters van 200 tot 600 nm. De relatie tussen deeltjesaantal en tijd (E), vermogen (F) en de TPA-dwarsdoorsnede (G). (H) Theoretische waarden van de fijnste lijnbreedtes die kunnen worden bereikt met verschillende deeltjesgroottes. (I) Verschil in vrije radicalendichtheid tussen TPP en OFB. De relatie tussen breedte en hoogte en kracht (J), snelheid (K) en defocusafstand rond het substraat (L). Credit:Wetenschappelijke vooruitgang , DOI:10.1126/sciadv.adg0300

Vrije ruimte schilderen met een femtoseconde laser

Wanneer tijdschalen de femtoseconde bereiken, kunnen moleculen het foton absorberen voor excitatie naar een elektronisch hogere toestand met een afstotend potentieel energieoppervlak, om vrije radicalen te genereren.

Wetenschappers kunnen multifoton-absorptiemechanismen gebruiken om ultrakorte pulsfoton-energie in moleculen te absorberen en de elektronenovergang tussen de grond- en aangeslagen toestand te activeren. Yi en collega's bestraalden actieve radicalen met een femtoseconde-laser zodat de optische krachten ze snel konden aggregeren en tot macromoleculen konden synthetiseren om de stolling snel te voltooien zonder nabewerking, terwijl de thermische beweging van de oplosmiddelmoleculen werd geminimaliseerd.

De onderzoekers ontwikkelden een op hydrogel gebaseerde inkt als een fotoschakelaar die werd geactiveerd bij het schrijven van femtoseconde-lasers door middel van twee-fotonenabsorptie, waarbij radicalen in de gel fotonen-energie van de femtoseconde-laser absorbeerden. Terwijl vrije radicalen de bindingsenergie in de moleculen vormden, verbond het team de moleculen met lange ketens aan verschillende functionele groepen voor verschillende toepassingen.

De printbare, op hydrogel gebaseerde inkt bood zeer biocompatibele, elastische en flexibele omstandigheden voor meerdere toepassingen van printbare nanostructuren in de vrije ruimte in de biogeneeskunde.

Geneste spieren printen en hun mechanische eigenschappen bestuderen. (A tot C) SEM-beelden van de spierbuik en pezen aan de rattenpoot. (D tot F) SEM-beelden van de uitzetbare en krimpbare dwarsgestreepte spier geschreven door een femtoseconde-pulslaser. (G tot I) SEM-afbeeldingen van de uitzetbare en krimpbare dwarsgestreepte spier, afgedrukt met een laag-voor-laag-methode. (J) Verband tussen concentratie en Young's modulus/hardheid. (M1, M2, M3 en M4 vertegenwoordigen de concentratie van respectievelijk 10, 20, 30 en 40%, met behulp van OFB. LM3 vertegenwoordigt de concentratie van 30% met behulp van laag-voor-laag-methode.) (K) Resultaten van nano-indentatie experiment. (L) Spanningsverdeling van de spier vervaardigd door OFB en laagprinten. (M) Simulatie van spannings-rekcurven voor spieren vervaardigd door OFB en laagprinten. (N) Spanningsverdeling van de enkele overhangende balken vervaardigd volgens twee verschillende methoden. Credit:Wetenschappelijke vooruitgang , DOI:10.1126/sciadv.adg0300

Actiemechanisme

De laserstraal bewoog zich vrij in de oplossing, net als een pen in de ruimte, en omvatte drie stappen:activering, aggregatie en stolling van vrije radicalen. De wetenschappers hebben de polymerisatiesnelheden voor twee fotonenpolymerisatie en optische krachtborstels afzonderlijk gekweekt met een multifysisch model.

De aanpak verbeterde de efficiëntie van de schrijfstructuur aanzienlijk door middel van een laag-voor-laag, regel-voor-regel printmethode, waarbij het aantal lagen direct correleerde met de dikteresolutie. De methode zorgde ook voor een sterk verbeterde schrijfefficiëntie en nauwkeurigheid van 3D-nanostructuren. Ze verfijnden de experimentele resultaten om te laten zien hoe de optische kracht die op de vrije radicalen werd uitgeoefend direct verband hield met het aantal pulsen, de intensiteit van het laserveld en de absorptiecoëfficiënt ervan.

Terwijl de femtoseconde-laser het materiaal bestraalde, werd de kinetische energie van de fotonen uitgewisseld met de actieve vrije radicalen om door de optische kracht te bewegen, wat uiteindelijk resulteerde in scherpe 3D-nanoprints met hoge resolutie. Het team bestudeerde de fundamentele mechanismen die ten grondslag liggen aan deze processen door middel van numerieke simulaties via multifysische simulaties om de beweging en het samengestelde proces van de radicalen te onderzoeken.

Een genest spiersysteem ontwikkelen

Met deze methode konden Yi en collega's spier-, buik- en peesweefsel printen dat bestaat uit meerlaagse nesten van vezels en vezelbundels die moeilijk te printen zijn via traditionele 3D-printmethoden. Het team printte de interne en externe vorm van de spier, terwijl de beweging ervan werd geactiveerd via elektrische stimulatie met een functionele, op hydrogel gebaseerde inkt. Dit resulteert in de eerste instantie van het gelijktijdig realiseren van zowel structurele als functionele bionische nanoprinting.

De wetenschappers demonstreerden de structuur van de pees en de buik van de hamstring van de rat, afgedrukt met een optische krachtborstel en een laag-voor-laag-methode. De methoden toonden het potentieel aan om meerlaagse structuren in 3D-ruimte te printen, terwijl de dikte van de spiervezels van dun naar dik veranderde om een ​​verscheidenheid aan functionaliteiten te bieden.

De onderzoekers toonden de mogelijkheid aan om de micro- en nanostructuren volledig in een organisme te implanteren om functionele en structurele biostructuren op deze schaal te realiseren. Deze printmethode in de vrije ruimte via de optische krachtborsteltechniek opent mogelijkheden om multifunctionele micro- en nanostructuren in de biologie toe te passen.

Het printen van vasculaire netwerk-, hart- en spiervezelbundels, en het bestuderen van elektrisch-mechanische reacties. (A) Schematisch diagram van het vasculaire netwerk, het hart en de spiervezelbundels. (B) Femtoseconde-lasergedrukte modellen van het vasculaire netwerk, het hart en de spiervezelbundels. (C) Schematisch diagram van de orbicularis-, longus-, multifidus- en oorschelpspieren. (D) Femtoseconde lasergedrukte modellen van de rhomboïde, longus, multifidus en oorschelpspieren. De schematische diastolische contractiele beweging van een bionische lange spier, verschillend afgedrukt op schaal (E), 3D-vat (F) en hartpompend model onder elektrische stimulatie (G). Relatie tussen spanning en zwelling radio (H); de inzetafbeelding toont het elektroresponsexperiment van GERM bij 11 V, fietsstabiliteit (I) en responstijd (J). (K) CCK-8-experiment van 3t3-cellen in voedingsoplossing en GERM-oplossing. Credit:Wetenschappelijke vooruitgang , DOI:10.1126/sciadv.adg0300

Vooruitzichten

Op deze manier gebruikten Chenqi Yi en collega's een optische krachtpenseel als een methode die een femtoseconde laserpenseel integreerde om functionele structuren met echte 3D-vrijheid af te drukken. De optische krachtborstel heeft unieke mogelijkheden met een onderliggend proces van nanopainting met optische kracht, om een ​​ultrahoge stollingssnelheid, een lage stollingsdrempel en een hoge gevoeligheid voor laser mogelijk te maken om het printproces nauwkeurig te regelen. Dankzij de gevoeligheid konden ze nauwkeurig regelen en ingewikkelde structuren met fijne details creëren.

Dit resulteerde in echte 3D-printvrijheid voor continu printen en naadloze overgangen tussen verschillende vlakken. Het werk onderzocht verder de mechanismen van optische krachten voor nanoprinten in de vrije ruimte tijdens het gebruik van optische krachtborstels. Dit omvatte interacties van de femtoseconde-laser met vrije radicalen in de hydrogel-inkt-fotoschakelaar; een mechanisme dat ook via numerieke simulaties wordt onderzocht.

Het onderzoek benadrukte het vermogen van de optische krachtborstel om bionische functionele structuren te ontwikkelen en de weg vrij te maken voor aanvullende studies op het gebied van weefselmanipulatie en regeneratieve geneeskunde met baanbrekende eigenschappen.

Meer informatie: Yi C. et al., Optische krachtpenseel maakt het schilderen van 4D-functionele structuren in de vrije ruimte mogelijk, Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI:10.1126/sciadv.adg0300

Ergin T. et al. Driedimensionale onzichtbaarheidsmantel op optische golflengten, Wetenschap (2023). DOI:10.1126/wetenschap.1186351

Journaalinformatie: Wetenschap , Wetenschappelijke vooruitgang

© 2023 Science X Netwerk




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Windparken langs bergruggen kunnen vleermuizen negatief beïnvloeden
  2. Onderzoekers ontwikkelen krachtige nieuwe methode voor microbioomanalyse
  3. Geautomatiseerde machine learning-robot ontsluit nieuw potentieel voor genetisch onderzoek
  4. Onderzoek creëert een manier om varkens te beschermen tegen PRRS tijdens de voortplanting
  5. Hoe zangvogels een nieuw lied leren
  6. Mutatie in belangrijke moleculen kan gonorroe-infectie stoppen
  7. Fokbiologie van gigantische Australische mihirung-vogels maakte de weg vrij voor uitsterven
  8. Welke cellen kunnen worden gezien door het menselijk oog?
  9. Het bacteriële sociale netwerk hacken

Wetenschap