Per la prima volta, i ricercatori hanno dimostrato che una fibra ottica sottile come un capello umano può essere utilizzata per creare strutture microscopiche con la stampa 3D basata su laser. L'approccio innovativo potrebbe un giorno essere utilizzato con un endoscopio per fabbricare minuscole strutture biocompatibili direttamente nel tessuto all'interno del corpo. Questa capacità potrebbe consentire nuovi modi per riparare i danni ai tessuti.

"Con un ulteriore sviluppo la nostra tecnica potrebbe consentire strumenti di microfabbricazione endoscopica che sarebbero preziosi durante l'intervento chirurgico, " ha affermato il leader del gruppo di ricerca Paul Delrot, dell'École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Svizzera. "Questi strumenti potrebbero essere utilizzati per stampare strutture 3D su micro o nanoscala che facilitano l'adesione e la crescita delle cellule per creare tessuti ingegnerizzati che ripristinano i tessuti danneggiati".

Nella rivista The Optical Society (OSA) Ottica Express , i ricercatori mostrano che il loro nuovo approccio può creare microstrutture con una risoluzione di stampa laterale (da lato a lato) di 1,0 micron e assiale (profondità) di 21,5 micron. Sebbene queste microstrutture siano state create su un vetrino da microscopio, l'approccio potrebbe essere utile per studiare come le cellule interagiscono con varie microstrutture in modelli animali, che aiuterebbe a spianare la strada alla stampa endoscopica nelle persone.

Per creare le microstrutture, i ricercatori hanno immerso l'estremità di una fibra ottica in un liquido noto come fotopolimero che si solidifica, o cure, quando illuminato con un colore specifico della luce. Hanno usato la fibra ottica per fornire e focalizzare digitalmente la luce laser punto per punto nel liquido per costruire una microstruttura tridimensionale.

Stampando dettagli delicati su parti di grandi dimensioni, il nuovo strumento di microfabbricazione ultracompatto potrebbe anche essere un utile complemento alle stampanti 3D disponibili in commercio di oggi che vengono utilizzate per qualsiasi cosa, dalla prototipazione rapida alla realizzazione di dispositivi medici personalizzati. "Utilizzando una testina di stampa a bassa risoluzione per le parti sfuse e il nostro dispositivo come testina di stampa secondaria per i dettagli più fini, si potrebbe ottenere una produzione additiva a più risoluzioni, " disse Delrot.

Semplificare la configurazione

Le attuali tecniche di microfabbricazione basate su laser si basano su un fenomeno ottico non lineare chiamato fotopolimerizzazione a due fotoni per polimerizzare selettivamente un volume in profondità all'interno di un materiale fotosensibile liquido. Queste tecniche sono difficili da usare per le applicazioni biomediche perché la fotopolimerizzazione a due fotoni richiede laser complessi e costosi che emettono impulsi molto brevi e sistemi ottici ingombranti per fornire la luce.

"Il nostro gruppo ha esperienza nella manipolazione e modellazione della luce attraverso le fibre ottiche, il che ci ha portato a pensare che le microstrutture potessero essere stampate con un sistema compatto. Inoltre, per rendere il sistema più accessibile, abbiamo sfruttato un fotopolimero con una risposta alla dose non lineare. Questo può funzionare con un semplice laser a onda continua, laser pulsati così costosi non erano necessari, " disse Delrot.

Per polimerizzare selettivamente un volume specifico di materiale, i ricercatori hanno approfittato di un fenomeno chimico in cui la solidificazione avviene solo al di sopra di una certa soglia di intensità luminosa. Effettuando uno studio dettagliato dei parametri di scansione della luce e del comportamento del fotopolimero, i ricercatori hanno scoperto i migliori parametri per l'utilizzo di questo fenomeno chimico per stampare microstrutture utilizzando una bassa potenza, laser economico che emette continuamente (piuttosto che pulsato).

Per creare microstrutture cave e solide, i ricercatori hanno utilizzato un precursore polimerico organico drogato con un fotoiniziatore costituito da componenti chimici disponibili in commercio. Hanno focalizzato un laser a onda continua che emette luce a una lunghezza d'onda di 488 nanometri, luce a lunghezza d'onda visibile potenzialmente sicura per le cellule, attraverso una fibra ottica abbastanza piccola da stare in una siringa. Utilizzando un approccio noto come modellatura del fronte d'onda, sono stati in grado di focalizzare la luce all'interno del fotopolimero in modo che solo un piccolo punto 3D sia stato polimerizzato. L'esecuzione di una fase di calibrazione prima della microfabbricazione ha consentito loro di mettere a fuoco digitalmente e scansionare la luce laser attraverso la fibra ottica ultrasottile senza spostare la fibra.

"Rispetto ai sistemi all'avanguardia di fotopolimerizzazione a due fotoni, il nostro dispositivo ha una risoluzione di stampa più grossolana, però, è potenzialmente sufficiente per studiare le interazioni cellulari e non richiede ingombranti sistemi ottici né costosi laser pulsati, " ha detto Delrot. "Poiché il nostro approccio non richiede componenti ottici complessi, potrebbe essere adattato per l'uso con gli attuali sistemi endoscopici."

Verso l'uso clinico

I ricercatori stanno lavorando per sviluppare fotopolimeri biocompatibili e un sistema di consegna di fotopolimeri compatto, che sono necessari prima che la tecnica possa essere utilizzata nelle persone. È necessaria anche una velocità di scansione più elevata, ma nei casi in cui la dimensione dello strumento non è critica, questa limitazione potrebbe essere superata utilizzando un endoscopio commerciale al posto della fibra ultrasottile. Finalmente, è necessaria una tecnica per finalizzare e post-elaborare la struttura stampata all'interno del corpo per creare microstrutture con funzioni biomediche.

"Il nostro lavoro mostra che la microfabbricazione 3D può essere ottenuta con tecniche diverse dalla messa a fuoco di un laser pulsato a femtosecondi ad alta potenza, " ha affermato Delrot. "L'utilizzo di laser o sorgenti di luce meno complessi renderà la produzione additiva più accessibile e creerà nuove opportunità di applicazioni come quella che abbiamo dimostrato".