O controle e a medição das forças afirmadas em pequenos objetos são frequentemente vistos na micromanipulação, ciência material, e aplicações biológicas e médicas. Pesquisadores na China propuseram pela primeira vez a microimpressão de um novo sensor de micro-força de sonda de feixe preso de polímero com ponta de fibra para o exame de amostras biológicas. Esta abordagem abre novos caminhos para a realização de AFMs de pequena pegada, e o sensor proposto tem grandes perspectivas de aplicação para o exame de amostras biológicas e as propriedades mecânicas de materiais.

Devido à tendência de miniaturização dos dispositivos, micromanipulação tem sido um tema quente nas últimas duas décadas. Ao contrário do mundo macro, um microobjeto pode ser facilmente danificado se a força de contato não for detectada e controlada com precisão. Por exemplo, no cateterismo cardíaco médico, se os médicos não souberem a força de contato exata entre os cateteres e as paredes dos vasos sanguíneos durante um procedimento intervencionista, as delicadas redes de vasos sanguíneos podem ser danificadas, causando graves consequências. Contudo, continua sendo um desafio reduzir o tamanho do sensor nanomecânico e aumentar a resolução da força por causa dos mecanismos de feedback mecânico e dos componentes ativos. Desenvolvendo um compacto totalmente em fibra, sensor de micro-força pode abrir inúmeras capacidades, incluindo monitoramento intracelular em tempo real, sondagem minimamente invasiva, e detecção de alta resolução.

Em um novo artigo publicado em Light Science &Applications, O professor Yiping Wang da Universidade de Shenzhen e sua equipe de pesquisa propuseram a microimpressão de um novo sensor de micro-força de sonda de feixe preso de polímero de ponta de fibra para o exame de amostras biológicas. O sensor proposto consiste em duas bases, uma viga presa, e uma sonda de detecção de força, que foram desenvolvidos usando uma técnica de polimerização de dois fótons induzida por laser de femtossegundo. Um sensor de micro força em miniatura deste tipo exibiu uma sensibilidade de força ultra-alta de 1,51 nm / μN, um limite de detecção de 54,9 nN, e uma faixa de medição de sensor inequívoca de 2,9 mN. O módulo de polidimetilsiloxano de Young, um apalpador de borboleta, e cabelo humano foram medidos com sucesso com o sensor proposto. Esta abordagem abre novos caminhos para a realização de AFMs de pequena pegada que podem ser facilmente adaptados para uso em laboratórios especializados externos. Este dispositivo será benéfico para exames biomédicos e de ciência de materiais de alta precisão, e o método de fabricação proposto fornece uma nova rota para a próxima geração de pesquisas em dispositivos complexos de polímeros integrados a fibra.

Usando a mecânica correlacionada à estrutura, a equipe desenvolveu um sensor de microforça compacto todo em fibra para o exame de amostras biológicas. Neste sensor, a viga presa, as bases de apoio, e a sonda de detecção de força foi impressa na superfície da extremidade da fibra óptica usando o método de microimpressão TPP 3D. A estrutura do sensor foi otimizada usando o método dos elementos finitos (FEM), e sua característica estática foi analisada. A superfície da extremidade da fibra de entrada e o feixe preso definem um interferômetro de Fabry-Perot (FPI). Quando uma força externa é exercida sobre a sonda, a sonda desvia a viga presa, que modula o comprimento do FPI. Este método utiliza a baixa rigidez e alta resiliência da estrutura da viga fixada, permite que se deforme o suficiente quando uma pequena força é aplicada, e, portanto, melhora muito a resolução da força e a faixa de detecção do sensor.

A equipe então realizou medições de detecção de microforça antes de qualquer aplicação de detecção. Quando a força foi gradualmente aplicada à sonda de feixe preso, o espectro de reflexão do microssensor de força foi monitorado em tempo real. Os resultados mostraram uma mudança para o azul no comprimento de onda de mergulho, e a sensibilidade à força do sensor foi calculada em -1,51 nm / μN usando um ajuste linear da mudança de comprimento de onda de mergulho, que são duas ordens de magnitude mais altas do que o sensor de força de fibra óptica relatado anteriormente com base em um interferômetro semelhante a um balão. Assim, a relação entre a força aplicada e a saída do sensor foi quantificada. Além disso, o sensor de micro-força tem um limite de detecção de 54,9 nN, e uma faixa de medição de sensor inequívoca de 2,9 mN.

Na última fase, depois que o sistema foi totalmente calibrado, o sensor proposto mediu PDMS com sucesso, um apalpador de borboleta e cabelo humano. Os resultados foram verificados usando um AFM. Acredita-se que este sensor de fibra tenha o menor limite de detecção de força no modo de contato direto relatado até o momento. Com sua alta sensibilidade à força, limite de detecção ultrapequeno, medição em escala micrométrica, embalagem fácil, projeto totalmente dielétrico, biocompatibilidade, e operação totalmente em fibra, o sensor proposto tem grandes perspectivas de aplicação para o exame de amostras biológicas e propriedades mecânicas de materiais.