DOI: 10.1126/sciadv.adg0300
Credibilidade: 999
#Impressão
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 agora sobre Avanços Científicos, 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 uma escova 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 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.
Pintura de espaço livre com laser de femtosegundo
Quando as escalas de tempo atingem o femtosegundo, 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.
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.
Panorama
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 femtosegundo com radicais livres na fotossensibilização da 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.
Publicado em 13/10/2023 11h59
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