Il controllo e la misurazione delle forze asserite su piccoli oggetti sono spesso osservati nella micromanipolazione, scienza materiale, e applicazioni biologiche e mediche. Ricercatori in Cina hanno proposto per la prima volta la microstampa di un nuovo sensore di micro-forza con sonda a fascio bloccato in fibra di polimero per l'esame di campioni biologici. Questo approccio apre nuove strade verso la realizzazione di AFM di piccola impronta, e il sensore proposto ha grandi prospettive applicative per l'esame di campioni biologici e le proprietà meccaniche dei materiali.

A causa della tendenza alla miniaturizzazione dei dispositivi, la micromanipolazione è stato un tema caldo negli ultimi due decenni. A differenza del mondo macro, un micro oggetto può essere facilmente danneggiato se la forza di contatto non viene rilevata e controllata accuratamente. Ad esempio, nel cateterismo cardiaco medico, se i medici non conoscono l'esatta forza di contatto tra i cateteri e le pareti dei vasi sanguigni durante una procedura interventistica, le delicate reti dei vasi sanguigni potrebbero essere danneggiate, causando gravi conseguenze. Però, rimane difficile ridimensionare le dimensioni del sensore nanomeccanico e aumentare la risoluzione della forza a causa dei meccanismi di feedback meccanico e dei componenti attivi. Sviluppando un compatto interamente in fibra, il sensore di micro-forza può aprire innumerevoli capacità, compreso il monitoraggio intracellulare in tempo reale, sondaggio minimamente invasivo, e rilevamento ad alta risoluzione.

In un nuovo articolo pubblicato su Scienza e applicazioni della luce, Il professor Yiping Wang dell'Università di Shenzhen e il suo gruppo di ricerca hanno proposto la microstampa di un nuovo sensore di micro-forza con sonda a fascio bloccato in fibra di polimero per l'esame di campioni biologici. Il sensore proposto si compone di due basi, una trave fissata, e una sonda di rilevamento della forza, che sono stati sviluppati utilizzando una tecnica di polimerizzazione a due fotoni indotta da laser a femtosecondi. Un sensore di micro-forza in miniatura interamente in fibra di questo tipo ha mostrato una sensibilità alla forza ultraelevata di 1,51 nm/μN, un limite di rilevamento di 54,9 nN, e un intervallo di misurazione del sensore univoco di 2,9 mN. Il modulo di Young del polidimetilsilossano, una sonda a farfalla, e capelli umani sono stati misurati con successo con il sensore proposto. Questo approccio apre nuove strade verso la realizzazione di AFM a ingombro ridotto che potrebbero essere facilmente adattati per l'uso in laboratori specializzati esterni. Questo dispositivo sarà utile per esami biomedici e di scienze dei materiali di alta precisione, e il metodo di fabbricazione proposto fornisce un nuovo percorso per la prossima generazione di ricerca su dispositivi polimerici integrati in fibra complessa.

Usando la meccanica correlata alla struttura, il team ha sviluppato un sensore di microforza compatto interamente in fibra per l'esame di campioni biologici. In questo sensore, la trave bloccata, le basi di appoggio, e la sonda di rilevamento della forza sono stati stampati sulla superficie dell'estremità della fibra ottica utilizzando il metodo di microstampa 3D TPP. La struttura del sensore è stata ottimizzata utilizzando il metodo degli elementi finiti (FEM), e ne è stata analizzata la caratteristica statica. La superficie dell'estremità della fibra di ingresso e il raggio bloccato definiscono un interferometro di Fabry-Perot (FPI). Quando viene esercitata una forza esterna sulla sonda, la sonda devia il raggio bloccato, che modula la lunghezza dell'FPI. Questo metodo utilizza la bassa rigidità e l'elevata resilienza della struttura della trave fissata, gli consente di deformarsi abbastanza quando viene applicata una piccola forza, e quindi migliora notevolmente sia la risoluzione della forza che il campo di rilevamento del sensore.

Il team ha quindi effettuato misurazioni di rilevamento della microforza prima di qualsiasi applicazione di rilevamento. Quando la forza è stata applicata gradualmente alla sonda a fascio bloccato, lo spettro di riflessione del sensore di microforza è stato monitorato in tempo reale. I risultati hanno mostrato uno spostamento verso il blu nella lunghezza d'onda del tuffo, e la sensibilità alla forza del sensore è stata calcolata pari a -1,51 nm/μN utilizzando un adattamento lineare della variazione della lunghezza d'onda del tuffo, che sono due ordini di grandezza superiori a quelli del sensore di forza in fibra ottica precedentemente riportato basato su un interferometro a palloncino. Così, è stata quantificata la relazione tra la forza applicata e l'uscita del sensore. Inoltre, il sensore di microforza ha un limite di rilevamento di 54,9 nN, e un intervallo di misurazione del sensore univoco di 2,9 mN.

Nell'ultima fase, dopo che il sistema è stato completamente calibrato, il sensore proposto ha misurato con successo il PDMS, una sonda a farfalla e capelli umani. I risultati sono stati verificati utilizzando un AFM. Si ritiene che questo sensore in fibra abbia il più piccolo limite di rilevamento della forza in modalità di contatto diretto segnalato fino ad oggi. Con la sua elevata sensibilità alla forza, limite di rilevamento ultra-piccolo, misurazione su scala micrometrica, imballaggio facile, design completamente dielettrico, biocompatibilità, e funzionamento interamente in fibra, il sensore proposto ha grandi prospettive applicative per l'esame di campioni biologici e le proprietà meccaniche dei materiali.