Por primera vez, Los investigadores han demostrado que una fibra óptica tan fina como un cabello humano se puede utilizar para crear estructuras microscópicas con impresión 3D basada en láser. El enfoque innovador podría usarse algún día con un endoscopio para fabricar pequeñas estructuras biocompatibles directamente en el tejido dentro del cuerpo. Esta capacidad podría permitir nuevas formas de reparar el daño tisular.

"Con un mayor desarrollo, nuestra técnica podría permitir herramientas de microfabricación endoscópica que serían valiosas durante la cirugía, "dijo el líder del equipo de investigación Paul Delrot, de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suiza. "Estas herramientas podrían usarse para imprimir estructuras 3D a micro o nanoescala que faciliten la adhesión y el crecimiento de las células para crear tejido diseñado que restaura los tejidos dañados".

En la revista The Optical Society (OSA) Óptica Express , Los investigadores muestran que su nuevo enfoque puede crear microestructuras con una resolución de impresión lateral (de lado a lado) de 1.0 micrones y axial (profundidad) de 21.5 micrones. Aunque estas microestructuras se crearon en un portaobjetos de microscopio, el enfoque podría ser útil para estudiar cómo las células interactúan con varias microestructuras en modelos animales, lo que ayudaría a allanar el camino para la impresión endoscópica en las personas.

Para crear las microestructuras, los investigadores sumergieron el extremo de una fibra óptica en un líquido conocido como fotopolímero que solidifica, o cura, cuando se ilumina con un color de luz específico. Utilizaron la fibra óptica para enviar y enfocar digitalmente la luz láser punto por punto en el líquido para construir una microestructura tridimensional.

Al imprimir detalles delicados en piezas grandes, La nueva herramienta de microfabricación ultracompacta también podría ser un complemento útil para las impresoras 3D disponibles comercialmente en la actualidad que se utilizan para todo, desde la creación rápida de prototipos hasta la fabricación de dispositivos médicos personalizados. "Al utilizar un cabezal de impresora con una resolución baja para las piezas a granel y nuestro dispositivo como cabezal de impresión secundario para los detalles finos, se podría lograr la fabricación aditiva de múltiples resoluciones, "dijo Delrot.

Simplificando la configuración

Las técnicas actuales de microfabricación basadas en láser se basan en un fenómeno óptico no lineal llamado fotopolimerización de dos fotones para curar selectivamente un volumen en el interior de un material fotosensible líquido. Estas técnicas son difíciles de usar para aplicaciones biomédicas porque la fotopolimerización de dos fotones requiere láseres complejos y costosos que emiten pulsos muy cortos, así como sistemas ópticos voluminosos para entregar la luz.

"Nuestro grupo tiene experiencia en manipular y dar forma a la luz a través de fibras ópticas, lo que nos llevó a pensar que las microestructuras se podían imprimir con un sistema compacto. Además, para hacer que el sistema sea más asequible, aprovechamos un fotopolímero con una respuesta a la dosis no lineal. Esto puede funcionar con un simple láser de onda continua, no se necesitaban láseres pulsados ​​tan caros, "dijo Delrot.

Para curar selectivamente un volumen específico de material, los investigadores aprovecharon un fenómeno químico en el que la solidificación solo ocurre por encima de un cierto umbral en la intensidad de la luz. Al realizar un estudio detallado de los parámetros de escaneo de luz y el comportamiento del fotopolímero, los investigadores descubrieron los mejores parámetros para utilizar este fenómeno químico para imprimir microestructuras utilizando un láser económico que emite continuamente (en lugar de pulsado).

Para crear microestructuras huecas y sólidas, los investigadores utilizaron un precursor de polímero orgánico dopado con un fotoiniciador hecho de componentes químicos disponibles en el mercado. Enfocaron un láser de onda continua que emite luz a una longitud de onda de 488 nanómetros (luz de longitud de onda visible que es potencialmente segura para las células) a través de una fibra óptica lo suficientemente pequeña como para caber en una jeringa. Usando un enfoque conocido como conformación de frente de onda, pudieron enfocar la luz dentro del fotopolímero de modo que solo se curara un pequeño punto 3D. Realizar un paso de calibración antes de la microfabricación les permitió enfocar y escanear digitalmente la luz láser a través de la fibra óptica ultrafina sin mover la fibra.

"En comparación con los sistemas de vanguardia de fotopolimerización de dos fotones, nuestro dispositivo tiene una resolución de impresión más gruesa, sin embargo, es potencialmente suficiente para estudiar interacciones celulares y no requiere sistemas ópticos voluminosos ni láseres pulsados ​​costosos, ", dijo Delrot." Dado que nuestro enfoque no requiere componentes ópticos complejos, podría adaptarse para su uso con los sistemas endoscópicos actuales ".

Avanzando hacia el uso clínico

Los investigadores están trabajando para desarrollar fotopolímeros biocompatibles y un sistema de suministro de fotopolímero compacto. que son necesarios antes de que la técnica pueda ser utilizada en personas. También se necesita una velocidad de escaneo más rápida, pero en los casos en que el tamaño del instrumento no sea crítico, esta limitación podría superarse utilizando un endoscopio comercial en lugar de la fibra ultrafina. Finalmente, Se requiere una técnica para finalizar y postprocesar la estructura impresa dentro del cuerpo para crear microestructuras con funciones biomédicas.

"Nuestro trabajo muestra que la microfabricación 3D se puede lograr con técnicas distintas al enfoque de un láser pulsado de femtosegundos de alta potencia, ", dijo Delrot." El uso de láseres o fuentes de luz menos complejos hará que la fabricación aditiva sea más accesible y creará nuevas oportunidades de aplicaciones como la que demostramos ".