Nanoimpressão em espaço livre além dos limites ópticos para criar estruturas funcionais 4D
Esquema de processo, demonstração e mecanismo de OFB. (A) Diagrama do processo de pintura de espaço livre OFB. (B) Imagens de microscopia eletrônica de varredura (SEM) de caligrafia (seguir os traços dos caracteres chineses). As imagens SEM de estruturas 3D, que são ninho de pássaro (C), DNA (D), teia de aranha (E), pavilhão (F) e C60 (G). (H) Larguras de linha e limites de solidificação necessários para diferentes princípios. NPs, nanopartículas. (I) Relação entre taxa de solidificação e potência do laser. (J) Tempo de processamento do método de impressão em camadas e OFB. TPP, polimerização de dois fótons. Crédito:Avanços da Ciência , DOI:10.1126/sciadv.adg0300 A polimerização de dois fótons é um método potencial de nanofabricação para integrar nanomateriais baseados em métodos baseados em laser de femtossegundos. Os desafios no campo da nanoimpressão 3D incluem impressão lenta camada por camada e opções limitadas de materiais como resultado de interações laser-matéria.
Em um novo relatório sobre Avanços da Ciência p , Chenqi Yi e uma equipe de cientistas em Ciências Tecnológicas, Medicina e Engenharia Industrial da Universidade de Wuhan na China e da Universidade de Purdue nos EUA, mostraram uma nova abordagem de nanoimpressão 3D conhecida como nanoimpressão de espaço livre, usando um pincel de força óptica.
Este conceito permitiu-lhes desenvolver caminhos de escrita precisos e espaciais além dos limites ópticos para formar estruturas funcionais 4D. O método facilitou a rápida agregação e solidificação de radicais para facilitar a polimerização com maior sensibilidade à energia do laser, para fornecer pintura em espaço livre de alta precisão, muito parecida com a pintura com pincel chinês no papel.
Usando o método, eles aumentaram a velocidade de impressão para imprimir com sucesso uma variedade de modelos de músculos biônicos derivados de nanoestruturas 4D com propriedades mecânicas ajustáveis em resposta a sinais elétricos com excelente biocompatibilidade.
Engenharia de dispositivos
Nanodispositivos e nanoestruturas podem ser projetados em alta resolução e velocidade para formar produtos de próxima geração. A indústria de semicondutores pode usar litografia, deposição e gravação para criar estruturas 3D a partir de uma variedade de materiais, embora o alto custo de processamento e a seleção limitada de materiais possam afetar a fabricação flexível de estruturas 3D de materiais funcionais.
Cientistas de materiais usaram escrita direta a laser de femtosegundo baseada em polimerização de dois fótons para criar nanoestruturas 3D complexas usando micro/nanopolímeros para formar quasicristais fotônicos, metamateriais e nanoarquiteturas.
No entanto, este método ainda é limitado por uma velocidade lenta de impressão, texturas de superfície em forma de escada e materiais fotocuráveis limitados. Neste trabalho, Yi et al. examinaram a escrita a laser em espaço livre para analisar como ela produz forças fotoquímicas para realizar a nanopintura baseada em pincel de força óptica. Modelagem de processos, princípios e estudo paramétrico de OFB. (A) Processo completo de irradiação a laser com radicais livres em solução por simulação, estado de distribuição de partículas (esquerda) na potência e no tempo do laser, respectivamente, em 50, 100, 150 e 200 mW e 4.000, 8.000, 12.000 e 16.000 ns; distribuição de velocidade (meio) ao final da irradiação do laser; e estado de distribuição de partículas (direita) no eixo z no final da irradiação laser. (B) Forças sobre os radicais livres no raio da cintura do feixe de laser. (C) Relação entre densidade de radicais livres e distância relativa e diferentes potências versus largura de linha no limiar de solidificação. (D) Resultados de simulação e imagens SEM de um processo OFB a uma velocidade de varredura de 10 μm/s e intensidades variadas de laser para uma haste com diâmetros variados contínuos de 120 a 400 nm e esferas contínuas com diâmetros variados abruptos de 200 a 600 nm. A relação entre o número de partículas e o tempo (E), a potência (F) e a seção transversal do TPA (G). (H) Valores teóricos das larguras de linha mais finas que podem ser alcançadas com diferentes tamanhos de partículas. (I) Diferença de densidade de radicais livres entre TPP e OFB. A relação entre largura e altura e potência (J), velocidade (K) e distância de desfocagem em torno do substrato (L). Crédito:Avanços da Ciência , DOI:10.1126/sciadv.adg0300 Pintura de espaço livre com laser de femtosegundo
Quando as escalas de tempo atingem o femtossegundo, as moléculas podem absorver o fóton para excitação em um estado eletronicamente mais elevado com uma superfície de energia potencial repulsiva, para gerar radicais livres.
Os cientistas podem usar mecanismos de absorção multifótons para absorver a energia do fóton de pulso ultracurto nas moléculas e ativar a transição de elétrons entre o estado fundamental e o estado excitado. Yi e colegas irradiaram radicais ativos com um laser de femtosegundo para que as forças ópticas os agregassem rapidamente e os sintetizassem em macromoléculas para completar rapidamente a solidificação sem pós-processamento, enquanto minimizavam o movimento térmico das moléculas do solvente.
Os pesquisadores desenvolveram uma tinta à base de hidrogel como um interruptor fotográfico ativado na escrita a laser de femtosegundo por meio da absorção de dois fótons, onde os radicais no gel absorveram a energia do fóton do laser de femtossegundo. Embora os radicais livres formassem energia de ligação nas moléculas, a equipe conectou as moléculas de cadeia longa a diferentes grupos funcionais para uma variedade de aplicações.
A tinta imprimível à base de hidrogel ofereceu condições altamente biocompatíveis, elásticas e flexíveis para múltiplas aplicações de nanoestruturas imprimíveis em espaço livre em biomedicina. Imprimir músculos aninhados e estudar suas propriedades mecânicas. (A a C) Imagens SEM do ventre muscular e tendões da perna do rato. (D a F) Imagens SEM do músculo estriado expansível e encolhível escritas por um laser de pulso de femtosegundo. (G a I) Imagens SEM do músculo estriado expansível e encolhível impressas pelo método camada por camada. (J) Relação entre concentração e módulo/dureza de Young. (M1, M2, M3 e M4 representam a concentração de 10, 20, 30 e 40%, respectivamente, usando OFB. LM3 representa a concentração de 30% usando o método camada por camada.) (K) Resultados de nanoindentação experimentar. (L) Distribuição de tensão do músculo fabricado por OFB e impressão em camada. (M) Simulação de curvas de tensão-deformação para músculos fabricados por OFB e impressão em camadas. (N) Distribuição de tensões das vigas suspensas simples fabricadas por dois métodos diferentes. Crédito:Avanços da Ciência , DOI:10.1126/sciadv.adg0300 Mecanismo de ação
O feixe de laser movia-se livremente em solução, como uma caneta no espaço, e envolvia três etapas:ativação, agregação e solidificação de radicais livres. Os cientistas cultivaram as taxas de polimerização para polimerização de dois fótons e escova de força óptica separadamente com um modelo multifísico.
A abordagem melhorou muito a eficiência da estrutura de escrita por meio de um método de impressão camada por camada, linha por linha, onde o número de camadas se correlacionava diretamente com a resolução da espessura. O método também facilitou grandemente a eficiência e a precisão da escrita de nanoestruturas 3D. Eles refinaram os resultados experimentais para mostrar como a força óptica aplicada aos radicais livres estava diretamente relacionada ao número de pulsos, à intensidade do campo do laser e ao seu coeficiente de absorção.
À medida que o laser de femtosegundo irradiou o material, a energia cinética dos fótons foi trocada com os radicais livres ativos para se moverem pela força óptica, resultando eventualmente em nanoimpressão 3D nítida e de alta resolução. A equipe estudou os mecanismos fundamentais subjacentes a esses processos por meio de simulações numéricas por meio de simulações multifísicas para examinar o movimento e o processo composto dos radicais.
Projetando um sistema muscular aninhado
Este método permitiu que Yi e colegas imprimissem tecidos musculares, abdominais e tendinosos compostos de aninhamento de fibras e feixes de fibras em várias camadas que são difíceis de imprimir por meio de métodos tradicionais de impressão 3D. A equipe imprimiu a forma interna e externa do músculo, ao mesmo tempo em que ativava seu movimento por meio de estimulação elétrica com uma tinta funcional à base de hidrogel. Isso resulta na instância inicial de obtenção simultânea de nanoimpressão biônica estrutural e funcional.
Os cientistas demonstraram a estrutura do tendão e da barriga dos isquiotibiais do rato impressa por pincel de força óptica e método camada por camada. Os métodos mostraram potencial para imprimir estruturas multicamadas no espaço 3D, enquanto a espessura da fibra muscular passou de fina a espessa para transmitir uma variedade de funcionalidades.
Os pesquisadores mostraram a possibilidade de implantar completamente as micro e nanoestruturas em um organismo para realizar bioestruturas funcionais e estruturais nesta escala. Este método de impressão em espaço livre através da técnica de pincel de força óptica abre possibilidades de aplicação de micro e nanoestruturas multifuncionais em biologia. Imprimir rede vascular, coração e feixes de fibras musculares e estudar respostas eletromecânicas. (A) Diagrama esquemático da rede vascular, coração e feixes de fibras musculares. (B) Modelos impressos a laser de femtossegundos da rede vascular, coração e feixes de fibras musculares. (C) Diagrama esquemático dos músculos orbicular, longo, multífido e pavilhão auricular. (D) Modelos impressos a laser de femtossegundos dos músculos rombóide, longo, multífido e pavilhão auricular. O movimento contrátil diastólico esquemático de um músculo longo biônico impresso em escala diferente (E), vaso 3D (F) e modelo de bombeamento cardíaco sob estimulação elétrica (G). Relação entre tensão e inchaço do rádio (H); a imagem inserida mostra o experimento de resposta elétrica do GERM a 11 V, estabilidade de ciclagem (I) e tempo de resposta (J). (K) Experimento CCK-8 de células 3t3 em solução nutritiva e solução GERM. Crédito:Avanços da Ciência , DOI:10.1126/sciadv.adg0300 Perspectiva
Dessa forma, Chenqi Yi e colegas usaram o pincel de força óptica como um método que integrou o pincel a laser de femtosegundo para imprimir estruturas funcionais com verdadeira liberdade 3D. O pincel de força óptica possui capacidades únicas com um processo subjacente de nanopintura habilitada por força óptica, para facilitar uma taxa de solidificação ultra-alta, baixo limiar de solidificação e alta sensibilidade ao laser para regular com precisão o processo de impressão. A sensibilidade permitiu-lhes regular com precisão e criar estruturas complexas com detalhes finos.
Isto resultou numa verdadeira liberdade de impressão 3D para impressão contínua e transições perfeitas entre diferentes planos. O trabalho explorou ainda mais os mecanismos de forças ópticas para nanoimpressão no espaço livre durante o uso do pincel de força óptica. Isso incluiu interações do laser de femtossegundo com radicais livres no fotossensor de tinta de hidrogel; um mecanismo também explorado através de simulações numéricas.
A pesquisa enfatizou a capacidade da escova de força óptica de desenvolver estruturas funcionais biônicas e abrir caminho para estudos adicionais em engenharia de tecidos e medicina regenerativa com propriedades inovadoras.
Mais informações: Yi C. et al, O pincel de força óptica permitiu a pintura em espaço livre de estruturas funcionais 4D, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adg0300 Ergin T. et al. Capa de invisibilidade tridimensional em comprimentos de onda ópticos, Ciência (2023). DOI:10.1126/science.1186351
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