Pela primeira vez, pesquisadores demonstraram que uma fibra óptica tão fina quanto um cabelo humano pode ser usada para criar estruturas microscópicas com impressão 3D baseada em laser. A abordagem inovadora pode um dia ser usada com um endoscópio para fabricar minúsculas estruturas biocompatíveis diretamente no tecido dentro do corpo. Essa capacidade pode permitir novas maneiras de reparar danos aos tecidos.

"Com mais desenvolvimento, nossa técnica pode permitir ferramentas de microfabricação endoscópica que seriam valiosas durante a cirurgia, "disse o líder da equipe de pesquisa Paul Delrot, da École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suíça. "Essas ferramentas podem ser usadas para imprimir estruturas 3D em micro ou nanoescala que facilitam a adesão e o crescimento de células para criar tecidos projetados que restauram os tecidos danificados."

No jornal The Optical Society (OSA) Optics Express , os pesquisadores mostram que sua nova abordagem pode criar microestruturas com resolução de impressão lateral de 1,0 mícron (lado a lado) e axial de 21,5 mícron (profundidade). Embora essas microestruturas tenham sido criadas em uma lâmina de microscópio, a abordagem pode ser útil para estudar como as células interagem com várias microestruturas em modelos animais, o que ajudaria a pavimentar o caminho para a impressão endoscópica em pessoas.

Para criar as microestruturas, os pesquisadores mergulharam a ponta de uma fibra óptica em um líquido conhecido como fotopolímero que se solidifica, ou curas, quando iluminado com uma cor específica de luz. Eles usaram a fibra óptica para fornecer e focalizar digitalmente a luz do laser ponto a ponto no líquido para construir uma microestrutura tridimensional.

Ao imprimir detalhes delicados em peças grandes, a nova ferramenta de microfabricação ultracompacta também pode ser um complemento útil para as impressoras 3D atualmente disponíveis no mercado, usadas para tudo, desde a prototipagem rápida até a fabricação de dispositivos médicos personalizados. "Ao usar uma cabeça de impressão com baixa resolução para as peças a granel e nosso dispositivo como uma cabeça de impressão secundária para os detalhes finos, a manufatura aditiva de multi-resolução poderia ser alcançada, "disse Delrot.

Simplificando a configuração

As técnicas atuais de microfabricação baseada em laser contam com um fenômeno óptico não linear denominado fotopolimerização de dois fótons para curar seletivamente um volume nas profundezas de um material fotossensível líquido. Essas técnicas são difíceis de usar para aplicações biomédicas porque a fotopolimerização de dois fótons requer lasers complexos e caros que emitem pulsos muito curtos, bem como sistemas ópticos volumosos para fornecer a luz.

"Nosso grupo tem experiência em manipulação e modelagem de luz por meio de fibras ópticas, o que nos levou a pensar que as microestruturas poderiam ser impressas com um sistema compacto. Além disso, para tornar o sistema mais acessível, aproveitamos um fotopolímero com uma resposta à dose não linear. Isso pode funcionar com um laser de onda contínua simples, tão caros lasers pulsados ​​não eram necessários, "disse Delrot.

Para curar seletivamente um volume específico de material, os pesquisadores tiraram proveito de um fenômeno químico no qual a solidificação só ocorre acima de um certo limite na intensidade da luz. Ao realizar um estudo detalhado dos parâmetros de varredura de luz e do comportamento do fotopolímero, os pesquisadores descobriram os melhores parâmetros para usar este fenômeno químico para imprimir microestruturas usando uma baixa potência, laser barato que emite continuamente (em vez de pulsado).

Para criar microestruturas ocas e sólidas, os pesquisadores usaram um precursor de polímero orgânico dopado com fotoiniciador feito de componentes químicos prontos para uso. Eles focalizaram um laser de onda contínua que emite luz em um comprimento de onda de 488 nanômetros - luz de comprimento de onda visível que é potencialmente segura para as células - por meio de uma fibra óptica pequena o suficiente para caber em uma seringa. Usando uma abordagem conhecida como forma de frente de onda, eles foram capazes de focalizar a luz dentro do fotopolímero de forma que apenas um pequeno ponto 3D foi curado. A realização de uma etapa de calibração antes da microfabricação permitiu que eles focalizassem e digitalizassem digitalmente a luz laser através da fibra óptica ultrafina sem mover a fibra.

"Em comparação com os sistemas de última geração de fotopolimerização de dois fótons, nosso dispositivo tem uma resolução de impressão mais grosseira, Contudo, é potencialmente suficiente para estudar as interações celulares e não requer sistemas ópticos volumosos nem lasers pulsados ​​caros, "disse Delrot." Uma vez que nossa abordagem não requer componentes ópticos complexos, pode ser adaptado para uso com os sistemas endoscópicos atuais. "

Movendo-se em direção ao uso clínico

Os pesquisadores estão trabalhando para desenvolver fotopolímeros biocompatíveis e um sistema de entrega de fotopolímero compacto, que são necessários antes que a técnica possa ser usada em pessoas. Uma velocidade de digitalização mais rápida também é necessária, mas nos casos em que o tamanho do instrumento não é crítico, essa limitação pode ser superada com o uso de um endoscópio comercial em vez da fibra ultrafina. Finalmente, uma técnica para finalizar e pós-processar a estrutura impressa dentro do corpo é necessária para criar microestruturas com funções biomédicas.

"Nosso trabalho mostra que a microfabricação 3D pode ser alcançada com outras técnicas além da focalização de um laser pulsado de femtossegundo de alta potência, "disse Delrot." Usar lasers menos complexos ou fontes de luz tornará a manufatura aditiva mais acessível e criará novas oportunidades de aplicações como a que demonstramos. "