El control y la medición de las fuerzas impuestas sobre objetos pequeños se ven con frecuencia en la micromanipulación, ciencia material, y aplicaciones biológicas y médicas. Investigadores en China han propuesto por primera vez la microimpresión de un nuevo sensor de microfuerza de sonda de haz sujeto con punta de fibra y polímero para el examen de muestras biológicas. Este enfoque abre nuevas vías hacia la realización de AFM de pequeña huella, y el sensor propuesto tiene grandes posibilidades de aplicación para examinar muestras biológicas y las propiedades mecánicas de los materiales.

Debido a la tendencia de miniaturización de dispositivos, La micromanipulación ha sido un tema candente en las últimas dos décadas. A diferencia del mundo macro, un microobjeto puede dañarse fácilmente si la fuerza de contacto no se detecta y controla con precisión. Por ejemplo, en cateterismo cardíaco médico, si los médicos no conocen la fuerza de contacto exacta entre los catéteres y las paredes de los vasos sanguíneos durante un procedimiento de intervención, las delicadas redes de vasos sanguíneos podrían dañarse, causando graves consecuencias. Sin embargo, Sigue siendo un desafío reducir el tamaño del sensor nanomecánico y aumentar la resolución de la fuerza debido a los mecanismos de retroalimentación mecánica y los componentes activos. Desarrollando un compacto totalmente de fibra, El sensor de micro-fuerza puede abrir innumerables capacidades, incluida la monitorización intracelular en tiempo real, sondaje mínimamente invasivo, y detección de alta resolución.

En un nuevo artículo publicado en Ciencias de la luz y aplicaciones, El profesor Yiping Wang de la Universidad de Shenzhen y su equipo de investigación han propuesto la microimpresión de un novedoso sensor de microfuerza de sonda de haz sujeto con punta de fibra y polímero para el examen de muestras biológicas. El sensor propuesto consta de dos bases, una viga sujeta, y una sonda de detección de fuerza, que se desarrollaron utilizando una técnica de polimerización de dos fotones inducida por láser de femtosegundos. Un sensor de micro-fuerza de fibra en miniatura de este tipo exhibió una sensibilidad de fuerza ultra alta de 1.51 nm / μN, un límite de detección de 54,9 nN, y un rango de medición del sensor inequívoco de 2,9 mN. El módulo de Young de polidimetilsiloxano, un palpador de mariposa, y el cabello humano se midieron con éxito con el sensor propuesto. Este enfoque abre nuevas vías hacia la realización de AFM de tamaño reducido que podrían adaptarse fácilmente para su uso en laboratorios especializados externos. Este dispositivo será beneficioso para el examen biomédico y de ciencia de materiales de alta precisión, y el método de fabricación propuesto proporciona una nueva ruta para la próxima generación de investigación sobre dispositivos complejos de polímeros integrados con fibra.

Usando la mecánica correlacionada con la estructura, El equipo desarrolló un sensor de micro-fuerza compacto de fibra para el examen de muestras biológicas. En este sensor, la viga sujeta, las bases de apoyo, y la sonda de detección de fuerza se imprimieron en la superficie del extremo de la fibra óptica utilizando el método de microimpresión TPP 3D. La estructura del sensor se optimizó utilizando el método de elementos finitos (FEM), y se analizó su característica estática. La superficie del extremo de la fibra de entrada y el haz fijado definen un interferómetro de Fabry-Perot (FPI). Cuando se ejerce una fuerza externa sobre la sonda, la sonda desvía la viga sujeta, que modula la longitud del FPI. Este método utiliza la baja rigidez y alta resiliencia de la estructura de la viga sujeta, permite que se deforme lo suficiente cuando se aplica una pequeña fuerza, y así mejora enormemente tanto la resolución de fuerza como el rango de detección del sensor.

Luego, el equipo llevó a cabo mediciones de detección de microfuerzas antes de cualquier aplicación de detección. Cuando se aplicó fuerza gradualmente a la sonda de viga sujeta, el espectro de reflexión del sensor de micro-fuerza fue monitoreado en tiempo real. Los resultados mostraron un cambio azul en la longitud de onda de inmersión, y la sensibilidad a la fuerza del sensor se calculó en -1,51 nm / μN utilizando un ajuste lineal del cambio de longitud de onda de inmersión, que son dos órdenes de magnitud más altas que las del sensor de fuerza de fibra óptica informado anteriormente basado en un interferómetro con forma de globo. Por lo tanto, Se cuantificó la relación entre la fuerza aplicada y la salida del sensor. Además, el sensor de micro-fuerza tiene un límite de detección de 54,9 nN, y un rango de medición del sensor inequívoco de 2,9 mN.

En la última etapa, después de que el sistema esté completamente calibrado, el sensor propuesto midió con éxito el PDMS, un palpador de mariposa y cabello humano. Los resultados se verificaron utilizando un AFM. Se cree que este sensor de fibra tiene el límite de detección de fuerza más pequeño en el modo de contacto directo informado hasta la fecha. Con su alta sensibilidad a la fuerza, límite de detección ultra pequeño, medición a escala micrométrica, embalaje fácil, diseño totalmente dieléctrico, biocompatibilidad, y operación totalmente de fibra, el sensor propuesto tiene grandes posibilidades de aplicación para examinar muestras biológicas y las propiedades mecánicas de materiales.