Stampa nano in uno spazio libero oltre i limiti ottici per creare strutture funzionali 4D

7 ottobre 2023 funzionalità

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a cura di Thamarasee Jeewandara, Phys.org

La polimerizzazione a due fotoni è un metodo potenziale per la nanofabbricazione per integrare nanomateriali basati su metodi laser a femtosecondi. Le sfide nel campo della nanoprinting 3D includono la lenta stampa strato per strato e le limitate opzioni di materiale a causa delle interazioni laser-materia.

In un nuovo studio pubblicato su Science Advances, Chenqi Yi e un team di scienziati della Wuhan University Cina e della Purdue University USA hanno presentato un nuovo approccio di nanoprinting 3D noto come nanoprinting nello spazio libero utilizzando una spazzola di forza ottica.

Questo concetto ha permesso loro di sviluppare precisi percorsi di scrittura spaziali al di là dei limiti ottici per formare strutture funzionali 4D. Il metodo ha facilitato l'aggregazione rapida e la solidificazione di radicali per facilitare la polimerizzazione con un'alta sensibilità all'energia del laser, per fornire una pittura a spazio libero ad alta precisione, simile alla pittura cinese con pennello su carta.

Utilizzando il metodo, hanno aumentato la velocità di stampa per stampare con successo una varietà di modelli di muscoli bionici derivati da nanostrutture 4D con proprietà meccaniche regolabili in risposta a segnali elettrici con un'eccellente biocompatibilità.

Dispositivi nanostrutture possono essere progettati con elevata risoluzione e velocità per formare prodotti di prossima generazione. L'industria dei semiconduttori può utilizzare litografia, deposizione e incisione per creare strutture 3D da una varietà di materiali, sebbene l'elevato costo di elaborazione e la limitata selezione di materiali possano influire sulla fabbricazione flessibile di strutture 3D di materiali funzionali.

Gli scienziati dei materiali hanno utilizzato la scrittura diretta di polimerizzazione a due fotoni basata su laser a femtosecondi per creare complesse nanostrutture 3D utilizzando micro/nanopolimeri per formare quasicristalli fotonici, metamateriali e nanoarchitetture.

Tuttavia, questo metodo è ancora limitato da una lenta velocità di stampa, superfici a gradini e materiali fotoindurenti limitati. In questo lavoro, Yi et al. hanno esaminato la scrittura laser nello spazio libero per analizzare come produca forze fotochimiche per realizzare la nanopittura basata su spazzola di forza ottica.

Quando gli intervalli di tempo raggiungono i femtosecondi, le molecole possono assorbire il fotone per eccitarsi in uno stato elettronicamente superiore con una superficie di energia potenziale repulsiva, per generare radicali liberi.

Gli scienziati possono utilizzare meccanismi di assorbimento a multiphoton per assorbire l'energia del fotone a impulso ultrabreve nelle molecole e attivare la transizione degli elettroni tra lo stato fondamentale e lo stato eccitato. Yi e colleghi hanno irradiato i radicali attivi con un laser a femtosecondi per forze ottiche per aggregarli rapidamente e sintetizzarli in macromolecole per completare rapidamente la solidificazione senza post-elaborazione, riducendo al minimo il moto termico delle molecole di solvente.

I ricercatori hanno sviluppato un inchiostro a base di idrogel attivato da fotocommutazione mediante scrittura laser a femtosecondi tramite assorbimento a due fotoni, dove i radicali nel gel hanno assorbito l'energia del fotone del laser a femtosecondi. Mentre i radicali liberi formavano energia di legame nelle molecole, il team ha collegato le molecole a catena lunga a diversi gruppi funzionali per una varietà di applicazioni.

L'inchiostro a base di idrogel stampabile offriva condizioni altamente biocompatibili, elastiche e flessibili per molteplici applicazioni di nanostrutture stampabili nello spazio libero in biomedicina.

Il raggio laser si muoveva liberamente in soluzione come una penna nello spazio e coinvolgeva tre fasi: attivazione, aggregazione e solidificazione di radicali liberi. Gli scienziati hanno coltivato i tassi di polimerizzazione per la polimerizzazione a due fotoni e la spazzola di forza ottica separatamente con un modello di multiphysics.

L'approccio ha notevolmente migliorato l'efficienza della struttura di scrittura tramite un metodo di stampa strato per strato e linea per linea, in cui il numero di strati è direttamente correlato alla risoluzione dello spessore. Il metodo ha facilitato notevolmente anche l'efficienza e l'accuratezza della scrittura di nanostrutture 3D. Hanno affinato i risultati sperimentali per mostrare come la forza ottica applicata ai radicali liberi sia direttamente correlata al numero di impulsi, all'intensità del campo laser e al suo coefficiente di assorbimento.

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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