La polimerización de dos fotones es un método potencial de nanofabricación para integrar nanomateriales basados en métodos basados en láser de femtosegundo. Los desafíos en el campo de la nanoimpresión 3D incluyen una impresión lenta capa por capa y opciones limitadas de materiales como resultado de las interacciones entre el láser y la materia.
En un nuevo informe sobre Avances científicos , Chenqi Yi y un equipo de científicos en Ciencias Tecnológicas, Medicina e Ingeniería Industrial de la Universidad de Wuhan en China y la Universidad Purdue de EE. UU., mostraron un nuevo enfoque de nanoimpresión 3D conocido como nanoimpresión en espacio libre mediante el uso de un cepillo de fuerza óptica.
Este concepto les permitió desarrollar rutas de escritura espaciales y precisas más allá de los límites ópticos para formar estructuras funcionales 4D. El método facilitó la rápida agregación y solidificación de radicales para facilitar la polimerización con mayor sensibilidad a la energía láser, para proporcionar pintura en espacio libre de alta precisión, muy parecida a la pintura china con pincel sobre papel.
Utilizando el método, aumentaron la velocidad de impresión para imprimir con éxito una variedad de modelos de músculos biónicos derivados de nanoestructuras 4D con propiedades mecánicas sintonizables en respuesta a señales eléctricas con excelente biocompatibilidad.
Los nanodispositivos y las nanoestructuras se pueden diseñar con alta resolución y velocidad para formar productos de próxima generación. La industria de los semiconductores puede utilizar la litografía, la deposición y el grabado para crear estructuras 3D a partir de una variedad de materiales, aunque el alto costo de procesamiento y la selección limitada de materiales pueden afectar la fabricación flexible de estructuras 3D de materiales funcionales.
Los científicos de materiales han utilizado escritura directa con láser de femtosegundo basada en polimerización de dos fotones para crear nanoestructuras 3D complejas utilizando micro/nanopolímeros para formar cuasicristales fotónicos, metamateriales y nanoarquitecturas.
Sin embargo, este método todavía está limitado por una velocidad de impresión lenta, texturas superficiales en forma de escalera y materiales fotocurables limitados. En este trabajo, Yi et al. examinó la escritura láser en el espacio libre para analizar cómo produce fuerzas fotoquímicas para lograr nanopintura con pincel de fuerza óptica.
Pintura en espacio libre con láser de femtosegundo
Cuando las escalas de tiempo alcanzan el femtosegundo, las moléculas pueden absorber el fotón para excitarlo a un estado electrónicamente superior con una superficie de energía potencial repulsiva, para generar radicales libres.
Los científicos pueden utilizar mecanismos de absorción multifotónica para absorber la energía de los fotones de pulso ultracorto en las moléculas y activar la transición de electrones entre el estado fundamental y el excitado. Yi y sus colegas irradiaron radicales activos con un láser de femtosegundo para que las fuerzas ópticas los agregaran rápidamente y los sintetizaran en macromoléculas para completar rápidamente la solidificación sin posprocesamiento, mientras minimizaban el movimiento térmico de las moléculas del solvente.
Los investigadores desarrollaron una tinta a base de hidrogel como un fotointerruptor que se activa tras la escritura con láser de femtosegundo mediante absorción de dos fotones, donde los radicales del gel absorben la energía de los fotones del láser de femtosegundo. Mientras los radicales libres formaban energía de unión en las moléculas, el equipo conectó las moléculas de cadena larga a diferentes grupos funcionales para una variedad de aplicaciones.
La tinta imprimible a base de hidrogel ofrecía condiciones altamente biocompatibles, elásticas y flexibles para múltiples aplicaciones de nanoestructuras imprimibles en espacio libre en biomedicina.
Mecanismo-de-acción
El rayo láser se movía libremente en la solución, como un bolígrafo en el espacio, e implicaba tres pasos:activación, agregación y solidificación de radicales libres. Los científicos cultivaron las tasas de polimerización para la polimerización de dos fotones y el cepillo de fuerza óptica por separado con un modelo multifísico.
El enfoque mejoró enormemente la eficiencia de la estructura de escritura a través de un método de impresión capa por capa, línea por línea, donde el número de capas se correlacionaba directamente con la resolución del espesor. El método también facilitó una eficiencia y precisión de escritura de nanoestructuras 3D muy mejoradas. Refinaron los resultados experimentales para mostrar cómo la fuerza óptica aplicada a los radicales libres estaba directamente relacionada con el número de pulsos, la intensidad del campo láser y su coeficiente de absorción.
A medida que el láser de femtosegundo irradiaba el material, la energía cinética de los fotones se intercambiaba con los radicales libres activos para moverse mediante la fuerza óptica, lo que finalmente resultó en una nanoimpresión 3D nítida y de alta resolución. El equipo estudió los mecanismos fundamentales que subyacen a estos procesos mediante simulaciones numéricas mediante simulaciones multifísicas para examinar el movimiento y el proceso compuesto de los radicales.
Este método permitió a Yi y sus colegas imprimir tejidos de músculos, vientre y tendones compuestos por anidamientos multicapa de fibras y haces de fibras que son difíciles de imprimir mediante métodos tradicionales de impresión 3D. El equipo imprimió la forma interna y externa del músculo, mientras activaba su movimiento mediante estimulación eléctrica con una tinta funcional a base de hidrogel. Esto da como resultado la instancia inicial de lograr simultáneamente nanoimpresión biónica estructural y funcional.
Los científicos demostraron la estructura del tendón y el vientre de la corva de rata impresos mediante un cepillo de fuerza óptica y un método capa por capa. Los métodos mostraron el potencial de imprimir estructuras multicapa en el espacio 3D, mientras que el grosor de la fibra muscular se volvía de fino a grueso para impartir una variedad de funcionalidades.
Los investigadores demostraron la posibilidad de implantar completamente las micro y nanoestructuras en un organismo para realizar bioestructuras funcionales y estructurales a esta escala. Este método de impresión en espacio libre mediante la técnica del cepillo de fuerza óptica abre posibilidades para aplicar micro y nanoestructuras multifuncionales en biología.
Perspectivas
De esta manera, Chenqi Yi y sus colegas utilizaron el pincel de fuerza óptica como método que integraba el pincel láser de femtosegundo para imprimir estructuras funcionales con verdadera libertad 3D. El cepillo de fuerza óptica tiene capacidades únicas con un proceso subyacente de nanopintura habilitada por fuerza óptica, para facilitar una tasa de solidificación ultraalta, un umbral de solidificación bajo y una alta sensibilidad al láser para regular con precisión el proceso de impresión. La sensibilidad les permitió regular con precisión y crear estructuras intrincadas con detalles finos.
Esto dio como resultado una verdadera libertad de impresión 3D para una impresión continua y transiciones perfectas entre diferentes planos. El trabajo exploró más a fondo los mecanismos de las fuerzas ópticas para la nanoimpresión en el espacio libre durante el uso del cepillo de fuerza óptica. Esto incluyó interacciones del láser de femtosegundo con radicales libres en el fotointerruptor de tinta de hidrogel; un mecanismo también explorado a través de simulaciones numéricas.
La investigación destacó la capacidad del cepillo de fuerza óptica para desarrollar estructuras funcionales biónicas y allanar el camino para estudios adicionales en ingeniería de tejidos y medicina regenerativa con propiedades innovadoras.
Más información: Yi C. et al, El pincel de fuerza óptica permitió la pintura en espacio libre de estructuras funcionales 4D, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adg0300
Ergin T. et al. Capa de invisibilidad tridimensional en longitudes de onda ópticas, Ciencia (2023). DOI:10.1126/ciencia.1186351
Información de la revista: Ciencia , Avances científicos
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