A sinistra:schema della camera microfluidica. (A) Una lente dell'obiettivo per microscopio a immersione in olio ad apertura numerica elevata (NA) focalizza gli impulsi laser a femtosecondi in una camera, che è rivestito da due sottili finestre di vetro (azzurro). Uno di questi funge da substrato per i campioni. La valvola di selezione mostrata consente la commutazione tra diversi fotoresist (qui, uno non fluorescente e quattro fluorescenti) e solventi (acetone e mr-Dev 600), che vengono iniettati nella camera microfluidica. (B) Formule di struttura dei componenti di uno dei fotoresist fluorescenti contenenti molecole di colorante Atto. A destra:portacampioni microfluidico per litografia laser 3D. (A) Schema del portacampione completo, che può essere inserito in una macchina per litografia laser 3D commerciale e disegno di esplosione della camera microfluidica, che ospita un piccolo coprioggetto (diametro, 10 mm) all'interno della camera, su quali strutture possono essere stampate in 3D. La camera è sigillata mediante un O-ring resistente ai solventi, e la parte superiore presenta una finestra di vetro circolare per l'obiettivo ad immersione in olio ad alto contenuto di NA per mettere a fuoco all'interno della camera. (B) Disegno in scala in sezione trasversale del portacampioni. Il portacampioni è dotato di connettori per i tubi del liquido e canali per i liquidi da guidare dentro e fuori dalla camera microfluidica. Il percorso del flusso del liquido è indicato mediante frecce rosse. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aau9160
Complesso, le strutture tridimensionali (3D) vengono regolarmente costruite utilizzando un metodo commerciale affidabile di micro e nanostampa laser 3D. In un recente studio, Frederik Mayer e collaboratori in Germania e Australia hanno presentato un nuovo sistema in cui una camera microfluidica potrebbe essere integrata su un dispositivo di litografia laser 3D per costruire strutture multimateriali utilizzando più di un materiale costituente. Il nuovo metodo può eliminare la necessità esistente di trasferire tra tecniche di litografia e laboratori di chimica per un processo di produzione semplificato.
Come prova di principio, gli scienziati hanno creato dispositivi di sicurezza microstrutturati deterministici 3-D utilizzando sette materiali. Questi includevano (1) un fotoresist non fluorescente (materiale sensibile alla luce) per costruire la spina dorsale del dispositivo, (2) due fotoresist contenenti diversi punti quantici fluorescenti, (3) altri due fotoresist con diversi coloranti fluorescenti e (4) due sviluppatori. Le caratteristiche di sicurezza ottica 3D sono in genere prodotte tramite litografia laser a più fasi e tecniche chimiche.
Le microstrutture per tali caratteristiche di sicurezza di solito contengono uno scaffold 3-D cross-grid non fluorescente e marcatori fluorescenti incorporati realizzati con punti quantici semiconduttori disposti sullo scaffold a piacimento per codificare un messaggio. Le caratteristiche di microstruttura/sicurezza risultanti possono essere lette utilizzando metodi di sezionamento ottico come la microscopia a scansione di fluorescenza confocale 3D. Il nuovo sistema proposto da Mayer et al. apre quindi una porta per progettare multimateriali nella produzione additiva 3D su micro e nanoscala su una configurazione combinata di litografia microfluidica.
La tecnologia di stampa laser 3D o micro e nanostampa laser 3D è emersa più di 20 anni fa ed è ora diffusa. Le applicazioni attuali sono onnipresenti, dai cristalli fotonici 3D ai legami dei fili fotonici, Superfici a forma libera stampate in 3D, micro-ottica per circuiti ottici 3-D e microspecchi. Le applicazioni includono anche sistemi di microlenti ottici basati su metamateriali meccanici 3D, funzioni di sicurezza 3D, a microscaffold 3D per colture cellulari e micromacchine stampate in 3D. Nella maggior parte delle microstrutture pubblicate, però, gli scienziati hanno utilizzato solo un materiale principale per creare l'architettura 3D, con notevoli eccezioni nella letteratura recente.
Schema del sistema connesso alla camera microfluidica. (A) Consiste in un regolatore di pressione elettronico collegato ad una bombola di azoto, fino a 10 contenitori per i fotoresist e solventi per lo sviluppo, e la valvola di selezione a forma di stella. Il pompaggio di singoli liquidi è possibile applicando una pressione pneumatica a tutti i contenitori di liquidi e aprendo il percorso del flusso per un singolo liquido mediante la valvola di selezione. A seguito della valvola di selezione, il flusso del liquido è guidato attraverso una valvola di sovrapressione e un portacampioni autocostruito. Scorso, è diretto in un contenitore per rifiuti. (B) Sezione trasversale del gruppo valvola di selezione autocostruito. Il gruppo è composto da elettrovalvole commerciali e da un collettore 10-a-1 autocostruito che collega i 10 contenitori di liquidi a 10 elettrovalvole, e le uscite della valvola a una porta di uscita del collettore. Un esempio di percorso del flusso per un liquido è indicato con frecce rosse. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aau9160.
Durante la progettazione, è importante ottimizzare il processo chimico e la tecnica di stampa laser 3D nella stessa macchina utensile compatta da tavolo per ottenere la stampa multimateriale. Attualmente, i dispositivi microfluidici sono anche commercialmente adatti per progettare sistemi interconnessi poiché i componenti maturi della tecnologia sono prontamente disponibili. Proprio come i componenti dei cavi in un sistema elettronico, i connettori, interruttori di flusso, valvole, i controllori di flusso e le matrici di flusso di commutazione possono essere acquistati dallo scaffale. Quando si costruisce il setup combinato (microfluidica e litografia laser), Mayer et al. affrontato due domande principali:
Per rispondere a queste domande nel nuovo sistema, Mayer et al. costruito le capacità del dispositivo come un deterministico, caratteristica di sicurezza fluorescente 3-D multi-strutturata con più colori di emissione. Gli scienziati hanno utilizzato sette diversi liquidi nella configurazione microfluidica come inizio dettagliato.
Hanno costruito la camera microfluidica e collocato la struttura all'interno di una macchina per litografia laser 3D commerciale. La camera microfluidica conteneva un piccolo coprioggetto su cui le strutture potevano essere stampate in 3D. Le alterazioni strutturali apportate durante l'esperimento al sistema di litografia laser 3D non hanno limitato le possibilità del dispositivo. Mayer et al. strutture stampate con una risoluzione di stampa regolabile, accanto a grandi impronte del campione a seconda della dimensione del campione.
Stampa 3D successiva di diversi fotoresist. Immagini riprese utilizzando la fotocamera integrata nella macchina per litografia laser 3D. Ogni immagine mostra lo strato più alto della microstruttura 3D, ma dopo diversi passaggi di stampa. Per la prima foto, la griglia di supporto 3D e i pennarelli fluorescenti blu sono stati stampati, mentre per l'ultima foto, sono stati stampati marcatori che utilizzano tutti e quattro i resist fluorescenti. Per chiarezza, i colori di emissione della fluorescenza sono sovrapposti. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aau9160.
Gli scienziati hanno progettato l'apparato per aprire e chiudere in modo riproducibile la camera microfluidica. Per prevenire la rottura del vetro indotta dalla pressione nella configurazione, hanno misurato la pressione critica tramite test di combustione controllati in modo indipendente. Per ridurre la sovrapressione all'interno della camera microfluidica, gli scienziati hanno collegato l'uscita della camera microfluidica al contenitore dei rifiuti utilizzando un tubo. Non hanno mai impostato il regolatore di pressione su una sovrapressione superiore a 2 bar e hanno installato una valvola limitatrice di pressione tra la valvola di distribuzione e l'ingresso alla camera. In questo modo, Mayer et al. precauzioni installate per garantire che la finestra di vetro rimanga intatta sotto flusso controllato di fotoresist e liquidi nel sistema microfluidico, durante tutto l'esperimento.
Animazione della scansione attraverso diverse posizioni z della microstruttura 3D fluorescente. Le immagini del film sono state scattate utilizzando una microscopia a scansione laser confocale senza interpolazione. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aau9160
L'intera configurazione conteneva la camera microfluidica, un regolatore di pressione elettronico collegato a una bombola di azoto, diversi serbatoi con diversi liquidi di fotoresist e sviluppatore. Il sistema conteneva anche una valvola di distribuzione autocostruita e tubi che collegavano i diversi compartimenti. Gli scienziati hanno mantenuto il controllo computerizzato delle valvole di commutazione e hanno incluso un semplice circuito amplificatore con una scheda microcontrollore. Quando si distribuisce il sistema microfluidico in una configurazione litografica 3D, Mayer et al. ridotto il più possibile il consumo non necessario di fotoresist e aumentato la configurazione del dispositivo per un funzionamento ottimale, affrontare entrambe le questioni del disegno di studio.
Gli scienziati hanno dimostrato le capacità del sistema fabbricando caratteristiche di sicurezza fluorescenti 3-D, simile a un protocollo stabilito. Nel flusso di lavoro, hanno iniettato fotoresist non fluorescente nella camera microfluidica per creare una griglia di supporto 3-D. Quindi hanno stampato in 3D parti fluorescenti della struttura iniettando ripetutamente fotoresist fluorescenti. I fotoresist che emettono blu e verde contenevano punti quantici, e le resistenze arancioni e rosse contenevano coloranti organici Atto. Gli scienziati hanno ripreso la struttura di sicurezza scritta utilizzando una telecamera integrata nel sistema di litografia laser 3D.
Microscopia a fluorescenza a scansione laser confocale di strutture fabbricate. (A) Sul lato sinistro, viene mostrato un rendering al computer del progetto per la microstruttura. È costituito da una struttura di supporto 3D non fluorescente (grigia) con marcatori fluorescenti stampati con diversi colori di emissione. Sul lato destro, viene mostrata una pila di immagini scattate utilizzando la microscopia a fluorescenza. (B) I disegni dei modelli di prova sono stati stampati nei cinque diversi strati marcatori della microstruttura. (C) Dati di misurazione da microstrutture fabbricate prese mediante microscopia a fluorescenza. I riquadri mostrano il livello di dettaglio al quale possono essere stampati diversi elementi della struttura del fotoresist. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aau9160.
Quando hanno visualizzato la funzione di sicurezza fluorescente 3-D come un progetto di computer, conteneva una griglia 3-D circondata da pareti per il supporto e marcatori fluorescenti disposti attorno a ogni punto della griglia. L'intera microstruttura potrebbe memorizzare circa 7,8 kbit di informazioni. Per caratterizzare le strutture stampate in 3D, Mayer et al. ha utilizzato la microscopia confocale a scansione laser (LSM) e ha ripreso le diverse parti fluorescenti. Gli scienziati hanno esaminato il livello di dettaglio al quale sono state stampate le parti fluorescenti della struttura mediante la scansione di diversi livelli della microstruttura 3-D fluorescente. Nel lavoro, hanno mostrato che i risultati tra i modelli di test progettati e i dati misurati erano in buon accordo.
In questo modo, Mayer et al. ha introdotto un sistema microfluidico in grado di eseguire l'iniezione di fotoresist e le fasi di sviluppo del campione all'interno di una macchina per litografia laser disponibile in commercio. Il sistema ha facilitato la fabbricazione di strutture di litografia laser 3D multimateriale. Come prova di principio, hanno stampato complesse funzioni di sicurezza 3D utilizzando il sistema combinato nello studio.
Gli scienziati prevedono che i sistemi di litografia laser microfluidica combinati diventeranno ampiamente utilizzati in futuro per produrre complesse micro e nanostrutture 3-D con più materiali. Tali materiali e sistemi avranno applicazioni in diversi campi come scaffold 3D per colture cellulari, metamateriali 3D, Sistemi micro-ottici 3-D e caratteristiche di sicurezza 3-D come mostrato nello studio.
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