Izquierda:esquema de la cámara de microfluidos. (A) Una lente de objetivo de microscopio de inmersión en aceite de alta apertura numérica (NA) enfoca pulsos de láser de femtosegundos en una cámara, que está revestido por dos finas ventanas de vidrio (celeste). Uno de ellos sirve de sustrato para las muestras. La válvula de selección mostrada permite cambiar entre diferentes fotorresistencias (aquí, uno no fluorescente y cuatro fluorescentes) y disolventes (acetona y mr-Dev 600), que se inyectan en la cámara de microfluidos. (B) Estructura de las fórmulas de los componentes de uno de los fotorresistentes fluorescentes que contienen moléculas de tinte Atto. Derecha:Portamuestras microfluídico para litografía láser 3D. (A) Esquema del portamuestras completo, que se puede colocar en una máquina de litografía láser 3D comercial y un dibujo de explosión de la cámara de microfluidos, que alberga un pequeño cubreobjetos (diámetro, 10 mm) dentro de la cámara, sobre qué estructuras se pueden imprimir en 3D. La cámara está sellada con una junta tórica resistente a los disolventes, y la parte superior cuenta con una ventana de vidrio circular para que el objetivo de inmersión en aceite de alta NA se enfoque dentro de la cámara. (B) Dibujo a escala transversal del portamuestras. El portamuestras cuenta con conectores para tubos de líquido y canales para que los líquidos entren y salgan de la cámara de microfluidos. La trayectoria del flujo de líquido se indica mediante flechas rojas. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aau9160
Complejo, Las estructuras tridimensionales (3-D) se construyen regularmente utilizando un método comercial confiable de micro y nanoimpresión láser 3-D. En un estudio reciente, Frederik Mayer y sus colaboradores en Alemania y Australia han presentado un nuevo sistema en el que se podría integrar una cámara de microfluidos en un dispositivo de litografía láser 3-D para construir estructuras multimateriales utilizando más de un material constituyente. El nuevo método puede eliminar la necesidad existente de transferencia entre técnicas de litografía y laboratorios de química para un proceso de fabricación simplificado.
Como prueba de principio, Los científicos crearon dispositivos de características de seguridad microestructuradas deterministas en 3D utilizando siete materiales. Estos incluyeron (1) una fotorresistencia no fluorescente (material sensible a la luz) para construir la columna vertebral del dispositivo, (2) dos fotorresistencias que contienen diferentes puntos cuánticos fluorescentes, (3) dos fotorresistentes más con diferentes tintes fluorescentes y (4) dos reveladores. Las características de seguridad óptica 3-D se fabrican típicamente mediante técnicas químicas y de litografía láser de varios pasos.
Las microestructuras para tales características de seguridad generalmente contienen un andamio de rejilla cruzada 3-D no fluorescente y marcadores fluorescentes incorporados realizados con puntos cuánticos semiconductores dispuestos en el andamio a voluntad para codificar un mensaje. Las características de microestructura / seguridad resultantes se pueden leer utilizando métodos de corte óptico como la microscopía de barrido de fluorescencia confocal tridimensional. El nuevo sistema propuesto por Mayer et al. por lo tanto, abre una puerta para diseñar multimateriales en la fabricación de aditivos tridimensionales a micro y nanoescala en una configuración combinada de microfluidos y litografías.
La tecnología de impresión láser 3-D o la micro y nanoimpresión láser 3-D surgieron hace más de 20 años y ahora están muy extendidas. Las aplicaciones actuales son omnipresentes, desde cristales fotónicos 3-D hasta enlaces de cables fotónicos, Superficies de forma libre impresas en 3D, microóptica para circuitos ópticos 3-D y microespejos. Las aplicaciones también incluyen sistemas de microlentes ópticos basados en metamateriales mecánicos 3-D, Características de seguridad 3-D, a microandamios 3D para cultivo celular y micromáquinas impresas en 3D. En la mayoría de las microestructuras publicadas, sin embargo, Los científicos solo usaron un material principal para crear la arquitectura 3-D, con notables excepciones en la literatura reciente.
Esquema del sistema conectado a la cámara de microfluidos. (A) Consiste en un controlador de presión electrónico conectado a una botella de nitrógeno, hasta 10 contenedores para fotorresistentes y disolventes para revelado, y la válvula de selección en forma de estrella. Es posible bombear líquidos individuales aplicando una presión neumática a todos los contenedores de líquido y abriendo la ruta de flujo para un solo líquido mediante la válvula de selección. Siguiendo la válvula de selección, el flujo de líquido se guía a través de una válvula de sobrepresión y un portamuestras de fabricación propia. Último, se dirige a un contenedor de residuos. (B) Sección transversal a través del conjunto de la válvula de selección de construcción casera. El conjunto consta de válvulas de solenoide comerciales y un colector de 10 a 1 construido en casa que conecta los 10 contenedores de líquido a las 10 válvulas de solenoide. y las salidas de la válvula a un puerto de salida del colector. Un ejemplo de ruta de flujo para un líquido se indica con flechas rojas. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aau9160.
Durante el diseño, Es importante optimizar el proceso químico y la técnica de impresión láser 3-D en la misma máquina herramienta compacta de sobremesa para lograr la impresión multimaterial. En el presente, Los dispositivos de microfluidos también son comercialmente adecuados para diseñar sistemas interconectados, ya que los componentes maduros de la tecnología están fácilmente disponibles. Al igual que los componentes de cable en un sistema electrónico, los conectores, interruptores de flujo, válvulas, Los controladores de flujo y las matrices de flujo de conmutación se pueden comprar en el mercado. Al construir la configuración combinada (microfluidos y litografía láser), Mayer y col. abordó dos preguntas principales:
Para abordar estas preguntas en el nuevo sistema, Mayer y col. construyó las capacidades del dispositivo como un determinista, Característica de seguridad fluorescente tridimensional multiestructurada con múltiples colores de emisión. Los científicos utilizaron siete líquidos diferentes en la configuración de microfluidos como inicio detallado.
Construyeron la cámara de microfluidos y colocaron la estructura dentro de una máquina comercial de litografía láser 3D. La cámara de microfluidos contenía un pequeño cubreobjetos sobre el que se podían imprimir estructuras en 3D. Las alteraciones estructurales realizadas durante el experimento al sistema de litografía láser 3-D no limitaron las posibilidades del dispositivo. Mayer y col. estructuras impresas con una resolución de impresión ajustable, junto con grandes huellas de muestra dependiendo del tamaño de la muestra.
Impresión 3D sucesiva de diferentes fotorresistentes. Imágenes tomadas con la cámara integrada en la máquina de litografía láser 3D. Cada imagen muestra la capa superior de la microestructura 3D, pero después de diferentes pasos de impresión. Para la primera foto, Se han impreso la cuadrícula de soporte 3D y los marcadores fluorescentes azules, mientras que para la última imagen, Se han impreso marcadores que utilizan las cuatro resistencias fluorescentes. Para mayor claridad, los colores de emisión de fluorescencia se superponen. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aau9160.
Los científicos diseñaron el aparato para abrir y cerrar de forma reproducible la cámara de microfluidos. Para evitar la rotura del vidrio inducida por la presión en la instalación, midieron la presión crítica mediante pruebas de combustión controladas de forma independiente. Para reducir la sobrepresión dentro de la cámara de microfluidos, los científicos conectaron la salida de la cámara de microfluidos al contenedor de desechos mediante un tubo. Nunca ajustaron el controlador de presión a una sobrepresión superior a 2 bar e instalaron una válvula de alivio de presión entre la válvula distribuidora y la entrada a la cámara. De este modo, Mayer y col. instaló precauciones para asegurar que la ventana de vidrio permanezca intacta bajo un flujo controlado de fotorresistente y líquidos en el sistema de microfluidos, a lo largo del experimento.
Animación del escaneo a través de diferentes posiciones z de la microestructura 3D fluorescente. Las imágenes de la película se tomaron utilizando un microscopio de barrido láser confocal sin interpolación. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aau9160
Toda la configuración contenía la cámara de microfluidos, un controlador de presión electrónico conectado a una botella de nitrógeno, varios depósitos con diferentes líquidos fotorresistentes y reveladores. El sistema también contenía una válvula distribuidora de construcción casera y tubos que conectaban los diferentes compartimentos. Los científicos mantuvieron el control asistido por computadora de las válvulas de conmutación e incluyeron un circuito amplificador simple con una placa de microcontrolador. Al implementar el sistema de microfluidos en una configuración litográfica 3-D, Mayer y col. redujo el consumo innecesario de fotorresistencia en la medida de lo posible y aumentó la configuración del dispositivo para una función óptima, abordando ambas cuestiones del diseño del estudio.
Los científicos demostraron las capacidades del sistema mediante la fabricación de características de seguridad fluorescentes tridimensionales, similar a un protocolo establecido. En el flujo de trabajo inyectaron fotorresistente no fluorescente en la cámara de microfluidos para crear una rejilla de soporte tridimensional. Luego, imprimieron en 3D partes fluorescentes de la estructura inyectando repetidamente fotorresistentes fluorescentes. Los fotorresistentes emisores de azul y verde contenían puntos cuánticos, y las resistencias que emiten naranja y rojo contenían tintes orgánicos Atto. Los científicos tomaron imágenes de la estructura de seguridad escrita utilizando una cámara incorporada en el sistema de litografía láser 3-D.
Microscopía de fluorescencia de escaneo láser confocal de estructuras fabricadas. (A) En el lado izquierdo, Se muestra una representación por computadora del diseño de la microestructura. Consiste en una estructura de soporte 3D no fluorescente (gris) con marcadores fluorescentes con diferentes colores de emisión impresos en ella. En el lado derecho, se muestra una pila de imágenes tomadas mediante microscopía de fluorescencia. (B) Los diseños de los patrones de prueba se imprimieron en las cinco capas de marcador diferentes de la microestructura. (C) Datos de medición de microestructuras fabricadas tomadas mediante microscopía de fluorescencia. Los recuadros muestran el nivel de detalle en el que se pueden imprimir diferentes elementos de estructura fotorresistente. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aau9160.
Cuando visualizaron la característica de seguridad fluorescente 3-D como un diseño de computadora, contenía una cuadrícula en cruz 3-D rodeada de paredes para soporte y marcadores fluorescentes dispuestos alrededor de cada punto de la cuadrícula. Toda la microestructura podría almacenar alrededor de 7,8 kbit de información. Para caracterizar las estructuras impresas en 3-D, Mayer y col. utilizaron microscopía de barrido láser confocal (LSM) y obtuvieron imágenes de las diferentes partes fluorescentes. Los científicos examinaron el nivel de detalle en el que se imprimieron las partes fluorescentes de la estructura escaneando a través de diferentes niveles de la microestructura 3-D fluorescente. En el trabajo, demostraron que los resultados entre los patrones de prueba diseñados y los datos medidos estaban de acuerdo.
De este modo, Mayer y col. introdujo un sistema de microfluidos que podría realizar la inyección de fotorresistente y los pasos de desarrollo de muestras dentro de una máquina de litografía láser disponible comercialmente. El sistema facilitó la fabricación de estructuras de litografía láser 3D multimaterial. Como prueba de principio, imprimieron complejas características de seguridad en 3D utilizando el sistema combinado del estudio.
Los científicos prevén que los sistemas combinados de litografía por láser y microfluidos se utilizarán ampliamente en el futuro para fabricar micro y nanoestructuras complejas en 3-D con múltiples materiales. Dichos materiales y sistemas tendrán aplicaciones en diversos campos, como andamios 3-D para cultivo celular, Metamateriales 3-D, Sistemas micro-ópticos 3-D y características de seguridad 3-D como se muestra en el estudio.
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