Nanoprinting de espacio libre más allá de los límites ópticos para crear estructuras funcionales en 4D.

7 de octubre de 2023

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por Thamarasee Jeewandara, Phys.org

La fotopolimerización de dos fotones es un método potencial para la nanofabricación para integrar nanomateriales basados en métodos láser de femtosegundos. Los desafíos en el campo de la nanoprinting 3D incluyen una impresión lenta capa por capa y opciones de materiales limitadas como resultado de las interacciones láser-materia.

En un nuevo informe, publicado en Science Advances, Chenqi Yi y un equipo de científicos de Tecnología, Medicina e Ingeniería Industrial en la Universidad de Wuhan, China, y la Universidad de Purdue, Estados Unidos, mostraron un nuevo enfoque de nanoprinting 3D conocido como nanoprinting en espacio libre utilizando una fuerza óptica de pincel.

Este concepto les permitió desarrollar trayectorias de escritura precisas y espaciales 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 una pintura de espacio libre de alta precisión, similar a la pintura con pincel china en 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 ajustables en respuesta a señales eléctricas y una excelente biocompatibilidad.

Los nanodispositivos y nanoestructuras se pueden diseñar con alta resolución y velocidad para formar productos de próxima generación. La industria de los semiconductores puede utilizar litografía, deposición y 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 la escritura directa de láser de femtosegundos basada en fotopolimerización de dos fotones para crear nanoestructuras 3D complejas utilizando micro/nanopolímeros para formar quasicristales fotónicos, metamateriales y nanoarquitecturas.

Sin embargo, este método todavía está limitado por una velocidad lenta de impresión, texturas de superficie escalonadas y materiales fotocurables limitados. En este trabajo, Yi y colaboradores examinaron la escritura láser libre en el espacio para analizar cómo produce fuerzas fotoquímicas para llevar a cabo la nanopintura basada en la fuerza óptica de pincel.

Cuando los escalas de tiempo alcanzan el femtosegundo, las moléculas pueden absorber el fotón para excitarse a un estado electrónicamente más alto con una superficie de energía potencial repulsiva, para generar radicales libres.

Los científicos pueden utilizar mecanismos de absorción multiphoton para absorber la energía de los fotones de pulsos ultracortos en moléculas y activar la transición de electrones entre el estado fundamental y excitado. Yi y colegas irradiaron radicales activos con un láser de femtosegundos para que las fuerzas ópticas los agregaran rápidamente y se sintetizaran en macromoléculas y completaran rápidamente la solidificación sin un procesamiento posterior, al mismo tiempo que minimizaban el movimiento térmico de las moléculas del disolvente.

Los investigadores desarrollaron una tinta a base de hidrogel que se activa mediante la escritura láser de femtosegundos a través de la absorción de dos fotones, donde los radicales en el gel absorben la energía fotónica del láser de femtosegundos. Mientras los radicales libres formaban energía de enlace en las moléculas, el equipo conectó las moléculas de cadena larga a diferentes grupos funcionales para una variedad de aplicaciones.

La tinta a base de hidrogel imprimible ofrecía condiciones altamente biocompatibles, elásticas y flexibles para múltiples aplicaciones de nanoestructuras imprimibles en espacio libre en biomedicina.

El haz láser se movía libremente en la solución, al igual que un bolígrafo en el espacio, e involucraba tres pasos: activación, agregación y solidificación de radicales libres. Los científicos evaluaron las tasas de polimerización para la polimerización por fotones y la fuerza óptica de pincel por separado con un modelo de multiphysics.

El enfoque mejoró en gran medida la eficiencia de la estructura de escritura mediante un método de impresión capa por capa y línea por línea, donde el número de capas se correlacionaba directamente con la resolución del grosor. El método también facilitó una mayor eficiencia y precisión de escritura de nanoestructuras 3D. Refinaron los resultados experimentales para mostrar cómo se relacionaban directamente las fuerzas ópticas aplicadas a los radicales libres con el número de pulsos, la intensidad del campo láser y su coeficiente de absorción.

As the femtosecond laser irradiated the material, the kinetic energy from the photons were exchanged with the active free radicals to move by the optical force, eventually resulting in sharp and high-resolution 3D nanoprinting. The team studied the fundamental mechanisms underlying these processes through numerical simulations via multiphysics simulations to examine the motion and composite process of the radicals.

This method allowed Yi and colleagues to print muscle, belly, and tendon tissues composed of multilayered nesting of fibers and fiber bundles that are difficult to print via traditional 3D printing methods. The team printed the muscle's internal and external shape, while activating its movement via electrical stimulation with a functional hydrogel-based ink. This results in the initial instance of simultaneously achieving both structural and functional bionic nanoprinting.

The scientists demonstrated the structure of rat hamstring's tendon and belly printed by optical force brush and layer-by-layer method. The methods showed the potential to print multilayer structures in 3D space, while the muscle fiber thickness turned thin to thick to impart a variety of functionalities.

The researchers showed the possibility of completely implanting the micro- and nanostructures into an organism to realize functional and structural biostructures at this scale. This free-space printing method through the optical force brush technique opens possibilities to apply multifunctional micro and nanostructures in biology.

In this way Chenqi Yi and colleagues used optical force brush as a method that integrated femtosecond laser paintbrush to print functional structures with true 3D freedom. The optical force brush has unique capabilities with an underlying process of optical force enabled nanopainting, to facilitate an ultrahigh solidification rate, low solidification threshold, and high sensitivity to laser to precisely regulate the printing process. The sensitivity allowed them to accurately regulate and create intricate structures with fine details.

This resulted in true 3D printing freedom for continuous printing and seamless transitions between different planes. The work further explored the mechanisms of optical forces for nanoprinting in free space during optical force brush use. This included interactions of the femtosecond laser with free radicals in the hydrogel ink photoswitch; a mechanism also explored through numerical simulations.

The research emphasized the capacity of the optical force brush to develop bionic functional structures and pave the way for additional studies in tissue engineering and regenerative medicine with breakthrough properties.

Ergin T. et al. Three-dimensional invisibility cloak at optical wavelengths, Science (2023). DOI: 10.1126/science.1186351

Journal information: Science , Science Advances

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