La polimerizzazione a due fotoni è un potenziale metodo di nanofabbricazione per integrare nanomateriali basati su metodi basati su laser a femtosecondi. Le sfide nel campo della nanostampa 3D includono la stampa lenta strato per strato e opzioni di materiali limitate a causa delle interazioni laser-materia.
Ora in un nuovo rapporto sui progressi scientifici , Chenqi Yi e un team di scienziati di scienze tecnologiche, medicina e ingegneria industriale presso l'Università di Wuhan in Cina e la Purdue University negli Stati Uniti, hanno mostrato un nuovo approccio di nanostampa 3D noto come nanostampa nello spazio libero utilizzando una spazzola a forza ottica.
Questo concetto ha permesso loro di sviluppare percorsi di scrittura precisi e spaziali oltre i limiti ottici per formare strutture funzionali 4D. Il metodo ha facilitato la rapida aggregazione e solidificazione dei radicali per facilitare la polimerizzazione con una maggiore sensibilità all'energia laser, per fornire una verniciatura ad alta precisione e in spazio libero, molto simile alla pittura cinese a pennello su carta.
Utilizzando questo metodo, hanno aumentato la velocità di stampa per stampare con successo una varietà di modelli muscolari bionici derivati da nanostrutture 4D con proprietà meccaniche regolabili in risposta a segnali elettrici con eccellente biocompatibilità.
Nanodispositivi e nanostrutture possono essere progettati ad alta risoluzione e velocità per formare prodotti di prossima generazione. L'industria dei semiconduttori può utilizzare la litografia, la deposizione e l'incisione per creare strutture 3D da una varietà di materiali, sebbene gli elevati costi di lavorazione e la selezione limitata dei materiali possano influire sulla fabbricazione flessibile di strutture 3D di materiali funzionali.
Gli scienziati dei materiali hanno utilizzato la scrittura diretta con laser a femtosecondi basata sulla polimerizzazione a due fotoni per creare nanostrutture 3D complesse utilizzando micro/nanopolimeri per formare quasicristalli fotonici, metamateriali e nanoarchitetture.
Tuttavia, questo metodo è ancora limitato da una bassa velocità di stampa, da strutture superficiali a gradini e da materiali fotoinduribili limitati. In questo lavoro, Yi et al. ha esaminato la scrittura laser nello spazio libero per analizzare come produce forze fotochimiche per realizzare la nanopittura basata su pennello a forza ottica.
Verniciatura dello spazio libero con laser a femtosecondi
Quando le scale temporali raggiungono il femtosecondo, le molecole possono assorbire il fotone per l'eccitazione in uno stato elettronicamente più elevato con una superficie di energia potenziale repulsiva, per generare radicali liberi.
Gli scienziati possono utilizzare meccanismi di assorbimento multifotone per assorbire l'energia dei fotoni a impulsi ultracorti nelle molecole e attivare la transizione elettronica tra lo stato fondamentale e lo stato eccitato. Yi e colleghi hanno irradiato i radicali attivi con un laser a femtosecondi affinché le forze ottiche li aggregassero rapidamente e si sintetizzassero in macromolecole per completare rapidamente la solidificazione senza post-elaborazione, riducendo al minimo il movimento termico delle molecole di solvente.
I ricercatori hanno sviluppato un inchiostro a base di idrogel come fotoswitch attivato dalla scrittura laser a femtosecondi attraverso l'assorbimento di due fotoni, dove i radicali nel gel assorbivano l'energia fotonica dal laser a femtosecondi. Mentre i radicali liberi formavano energia legante nelle molecole, il team ha collegato le molecole a catena lunga a diversi gruppi funzionali per una varietà di applicazioni.
L'inchiostro stampabile a base di idrogel offriva condizioni altamente biocompatibili, elastiche e flessibili per molteplici applicazioni di nanostrutture stampabili nello spazio libero in biomedicina.
Meccanismo d'azione
Il raggio laser si muoveva liberamente nella soluzione proprio come una penna nello spazio e prevedeva tre fasi:attivazione, aggregazione e solidificazione dei radicali liberi. Gli scienziati hanno analizzato separatamente i tassi di polimerizzazione per la polimerizzazione a due fotoni e la spazzola a forza ottica con un modello multifisico.
L'approccio ha notevolmente migliorato l'efficienza della struttura di scrittura attraverso un metodo di stampa strato per strato, riga per riga, in cui il numero di strati era direttamente correlato alla risoluzione dello spessore. Il metodo ha inoltre facilitato un notevole miglioramento dell’efficienza e della precisione della scrittura della nanostruttura 3D. Hanno perfezionato i risultati sperimentali per mostrare come la forza ottica applicata ai radicali liberi fosse direttamente correlata al numero di impulsi, all'intensità del campo laser e al suo coefficiente di assorbimento.
Quando il laser a femtosecondi irradiava il materiale, l’energia cinetica dei fotoni veniva scambiata con i radicali liberi attivi per muoversi grazie alla forza ottica, risultando infine in una nanostampa 3D nitida e ad alta risoluzione. Il team ha studiato i meccanismi fondamentali alla base di questi processi attraverso simulazioni numeriche tramite simulazioni multifisiche per esaminare il movimento e il processo composito dei radicali.
Questo metodo ha consentito a Yi e colleghi di stampare tessuti muscolari, ventrali e tendinei composti da incastri multistrato di fibre e fasci di fibre difficili da stampare con i tradizionali metodi di stampa 3D. Il team ha stampato la forma interna ed esterna del muscolo, attivandone il movimento tramite stimolazione elettrica con un inchiostro funzionale a base di idrogel. Ciò si traduce nel primo esempio di realizzazione simultanea della nanostampa bionica strutturale e funzionale.
Gli scienziati hanno dimostrato la struttura del tendine e della pancia del tendine del ginocchio del ratto stampata mediante pennello a forza ottica e metodo strato per strato. I metodi hanno mostrato il potenziale per stampare strutture multistrato nello spazio 3D, mentre lo spessore della fibra muscolare è diventato da sottile a spesso per conferire una varietà di funzionalità.
I ricercatori hanno dimostrato la possibilità di impiantare completamente le micro e nanostrutture in un organismo per realizzare biostrutture funzionali e strutturali su questa scala. Questo metodo di stampa in spazio libero attraverso la tecnica del pennello a forza ottica apre la possibilità di applicare micro e nanostrutture multifunzionali in biologia.
Prospettive
In questo modo Chenqi Yi e colleghi hanno utilizzato il pennello a forza ottica come metodo che integrava il pennello laser a femtosecondi per stampare strutture funzionali con vera libertà 3D. La spazzola a forza ottica ha capacità uniche con un processo sottostante di nanopittura abilitato dalla forza ottica, per facilitare un tasso di solidificazione ultraelevato, una soglia di solidificazione bassa e un'elevata sensibilità al laser per regolare con precisione il processo di stampa. La sensibilità ha permesso loro di regolare con precisione e creare strutture complesse con dettagli fini.
Ciò ha portato alla vera libertà di stampa 3D per la stampa continua e transizioni senza soluzione di continuità tra diversi piani. Il lavoro ha esplorato ulteriormente i meccanismi delle forze ottiche per la nanostampa nello spazio libero durante l'uso della spazzola a forza ottica. Ciò includeva le interazioni del laser a femtosecondi con i radicali liberi nel fotoswitch dell'inchiostro idrogel; un meccanismo esplorato anche attraverso simulazioni numeriche.
La ricerca ha sottolineato la capacità della spazzola a forza ottica di sviluppare strutture funzionali bioniche e aprire la strada a ulteriori studi nell'ingegneria dei tessuti e nella medicina rigenerativa con proprietà rivoluzionarie.
Ulteriori informazioni: Yi C. et al, Il pennello a forza ottica ha consentito la pittura nello spazio libero di strutture funzionali 4D, Progressi scientifici (2023). DOI:10.1126/sciadv.adg0300
Ergin T. et al. Mantello dell'invisibilità tridimensionale a lunghezze d'onda ottiche, Scienza (2023). DOI:10.1126/science.1186351
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