A gauche :Schéma de la chambre microfluidique. (A) Un objectif de microscope à immersion dans l'huile à ouverture numérique élevée (NA) concentre les impulsions laser femtosecondes dans une chambre, qui est habillé de deux fines vitres (bleu clair). L'un d'eux sert de substrat pour les échantillons. La vanne de sélection illustrée permet de basculer entre différentes résines photosensibles (ici, un non fluorescent et quatre fluorescents) et des solvants (acétone et mr-Dev 600), qui sont injectés dans la chambre microfluidique. (B) Formules de structure des composants de l'une des résines photosensibles fluorescentes contenant des molécules de colorant Atto. À droite :porte-échantillon microfluidique pour la lithographie laser 3D. (A) Schéma du porte-échantillon complet, qui peut être placé dans une machine commerciale de lithographie laser 3D et dessin d'explosion de la chambre microfluidique, qui accueille une petite lamelle (diamètre, 10 mm) à l'intérieur de la chambre, sur lesquelles les structures peuvent être imprimées en 3D. La chambre est scellée à l'aide d'un joint torique résistant aux solvants, et la partie supérieure comporte une fenêtre en verre circulaire pour que l'objectif à immersion dans l'huile à haute NA se concentre à l'intérieur de la chambre. (B) Dessin à l'échelle transversale du porte-échantillon. Le porte-échantillon comporte des connecteurs pour les tubes de liquide et des canaux pour que les liquides soient guidés dans et hors de la chambre microfluidique. Le chemin d'écoulement du liquide est indiqué par des flèches rouges. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aau9160
Complexe, des structures tridimensionnelles (3-D) sont régulièrement construites à l'aide d'une méthode commerciale fiable de micro- et nano-impression laser 3-D. Dans une étude récente, Frederik Mayer et ses collègues en Allemagne et en Australie ont présenté un nouveau système dans lequel une chambre microfluidique pourrait être intégrée sur un dispositif de lithographie laser 3-D pour construire des structures multimatériaux utilisant plus d'un matériau constitutif. La nouvelle méthode peut éliminer le besoin existant de transfert entre les techniques de lithographie et les laboratoires de chimie pour un processus de fabrication rationalisé.
Comme preuve de principe, les scientifiques ont créé des dispositifs de sécurité microstructurés déterministes en 3D à l'aide de sept matériaux. Ceux-ci comprenaient (1) une résine photosensible non fluorescente (matériau sensible à la lumière) pour construire l'épine dorsale de l'appareil, (2) deux résines photosensibles contenant différents points quantiques fluorescents, (3) deux autres photoresists avec différents colorants fluorescents et (4) deux révélateurs. Les éléments de sécurité optique 3D sont généralement fabriqués par des techniques de lithographie laser et de chimie à plusieurs étapes.
Les microstructures pour de telles caractéristiques de sécurité contiennent généralement un échafaudage à grille croisée 3-D non fluorescent et des marqueurs fluorescents intégrés réalisés avec des points quantiques semi-conducteurs disposés sur l'échafaudage à volonté pour coder un message. Les caractéristiques de microstructure/sécurité qui en résultent peuvent être lues à l'aide de méthodes de sectionnement optique telles que la microscopie confocale à balayage par fluorescence 3D. Le nouveau système proposé par Mayer et al. ouvre donc la porte à l'ingénierie de multimatériaux en fabrication additive 3D à l'échelle micro et nanométrique sur une configuration combinée microfluidique-lithographie.
La technologie d'impression laser 3D ou micro- et nano-impression laser 3D est apparue il y a plus de 20 ans et est aujourd'hui largement répandue. Les applications actuelles sont omniprésentes, des cristaux photoniques 3D aux liaisons filaires photoniques, Surfaces de forme libre imprimées en 3D, micro-optique pour circuits optiques 3D et micromiroirs. Les applications incluent également des systèmes de microlentilles optiques basés sur des métamatériaux mécaniques 3D, Fonctionnalités de sécurité 3D, aux micro-échafaudages 3D pour la culture cellulaire et aux micromachines imprimées en 3D. Dans la majorité des microstructures publiées, cependant, les scientifiques n'ont utilisé qu'un seul matériau principal pour créer l'architecture 3D, avec des exceptions notables dans la littérature récente.
Schéma du système connecté à la chambre microfluidique. (A) Il se compose d'un contrôleur de pression électronique relié à une bouteille d'azote, jusqu'à 10 conteneurs pour les résines photosensibles et les solvants de développement, et la vanne de sélection en forme d'étoile. Le pompage de liquides individuels est possible en appliquant une pression pneumatique à tous les conteneurs de liquide et en ouvrant le chemin d'écoulement pour un seul liquide à l'aide de la vanne de sélection. Après la vanne de sélection, le flux de liquide est guidé à travers une soupape de surpression et un porte-échantillon fait maison. Durer, il est dirigé dans un conteneur à déchets. (B) Coupe transversale à travers l'ensemble de vanne de sélection de fabrication artisanale. L'ensemble se compose d'électrovannes commerciales et d'un collecteur 10 à 1 de fabrication artisanale qui relie les 10 conteneurs de liquide à 10 électrovannes, et les sorties de la vanne vers un port de sortie du collecteur. Un exemple de chemin d'écoulement pour un liquide est indiqué par des flèches rouges. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aau9160.
Lors de la conception, il est important de rationaliser le processus chimique et la technique d'impression laser 3D dans la même machine-outil de table compacte pour obtenir une impression multimatériaux. Maintenant, les dispositifs microfluidiques sont également commercialement bien adaptés pour concevoir des systèmes interconnectés, car les composants matures de la technologie sont facilement disponibles. Tout comme les composants de câble dans un système électronique, les connecteurs, commutateurs de débit, soupapes, les contrôleurs de débit et les matrices de débit de commutation peuvent être achetés dans le commerce. Lors de la construction du montage combiné (microfluidique et lithographie laser), Mayer et al. a répondu à deux questions principales :
Pour répondre à ces questions dans le nouveau système, Mayer et al. construit les capacités de l'appareil comme un déterministe, fonction de sécurité fluorescente 3D multistructurée avec plusieurs couleurs d'émission. Les scientifiques ont utilisé sept liquides différents dans la configuration microfluidique comme début détaillé.
Ils ont construit la chambre microfluidique et placé la structure à l'intérieur d'une machine commerciale de lithographie laser 3D. La chambre microfluidique contenait une petite lamelle sur laquelle les structures pouvaient être imprimées en 3D. Les modifications structurelles apportées au cours de l'expérience au système de lithographie laser 3-D n'ont pas limité les possibilités de l'appareil. Mayer et al. des structures imprimées avec une résolution d'impression réglable, aux côtés de grandes empreintes d'échantillon en fonction de la taille de l'échantillon.
Impression 3D successive de différentes résines photosensibles. Images prises à l'aide de la caméra intégrée à la machine de lithographie laser 3D. Chaque image montre la couche supérieure de la microstructure 3D, mais après différentes étapes d'impression. Pour la première photo, la grille de support 3D et les marqueurs fluorescents bleus ont été imprimés, alors que pour la dernière photo, des marqueurs utilisant les quatre résists fluorescents ont été imprimés. Pour plus de clarté, les couleurs d'émission de fluorescence sont superposées. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aau9160.
Les scientifiques ont conçu l'appareil pour ouvrir et fermer de manière reproductible la chambre microfluidique. Pour éviter la rupture de verre induite par la pression dans l'installation, ils ont mesuré la pression critique via des tests de combustion contrôlés indépendamment. Pour réduire la surpression à l'intérieur de la chambre microfluidique, les scientifiques ont connecté la sortie de la chambre microfluidique au conteneur de déchets à l'aide d'un tube. Ils n'ont jamais réglé le régulateur de pression sur une surpression supérieure à 2 bars et ont installé une soupape de surpression entre la vanne de distribution et l'entrée de la chambre. De cette façon, Mayer et al. installé des précautions pour s'assurer que la vitre reste intacte sous un flux contrôlé de résine photosensible et de liquides dans le système microfluidique, tout au long de l'expérimentation.
Animation du scan à travers différentes positions z de la microstructure 3D fluorescente. Les images du film ont été prises à l'aide d'une microscopie confocale à balayage laser sans interpolation. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aau9160
L'ensemble de l'installation contenait la chambre microfluidique, un contrôleur de pression électronique relié à une bouteille d'azote, plusieurs réservoirs avec différents photoresist et liquides de développement. Le système contenait également une vanne de distribution de fabrication artisanale et des tubes reliant les différents compartiments. Les scientifiques ont maintenu le contrôle assisté par ordinateur des vannes de commutation et ont inclus un simple circuit amplificateur avec une carte de microcontrôleur. Lors du déploiement du système microfluidique dans une configuration lithographique 3D, Mayer et al. réduit autant que possible la consommation inutile de résine photosensible et augmenté la configuration de l'appareil pour un fonctionnement optimal, abordant les deux questions de la conception de l'étude.
Les scientifiques ont démontré les capacités du système en fabriquant des éléments de sécurité fluorescents en 3D, similaire à un protocole établi. Dans le flux de travail, ils ont injecté une résine photosensible non fluorescente dans la chambre microfluidique pour créer une grille de support en 3D. Ensuite, ils ont imprimé en 3D des parties fluorescentes de la structure en injectant à plusieurs reprises des photoresists fluorescents. Les photoresists émettant du bleu et du vert contenaient des points quantiques, et les résists à émission orange et rouge contenaient des colorants Atto organiques. Les scientifiques ont imagé la structure de sécurité écrite à l'aide d'une caméra intégrée au système de lithographie laser 3-D.
Microscopie confocale à fluorescence à balayage laser des structures fabriquées. (A) Sur le côté gauche, un rendu informatique de la conception de la microstructure est montré. Il se compose d'une structure de support 3D non fluorescente (gris) avec des marqueurs fluorescents avec différentes couleurs d'émission imprimées dessus. Du côté droit, une pile d'images prises en utilisant la microscopie à fluorescence est affichée. (B) Les dessins des motifs de test ont été imprimés dans les cinq couches de marqueur différentes de la microstructure. (C) Données de mesure de microstructures fabriquées prises à l'aide de la microscopie à fluorescence. Les encarts montrent le niveau de détail auquel différents éléments de la structure de la résine photosensible peuvent être imprimés. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aau9160.
Lorsqu'ils ont visualisé la fonction de sécurité fluorescente 3D sous la forme d'une conception informatique, il contenait un quadrillage tridimensionnel entouré de murs de support et de marqueurs fluorescents disposés autour de chaque point de la grille. L'ensemble de la microstructure pourrait stocker environ 7,8 kbit d'informations. Pour caractériser les structures imprimées en 3D, Mayer et al. utilisé la microscopie confocale à balayage laser (LSM) et imagé les différentes parties fluorescentes. Les scientifiques ont examiné le niveau de détail auquel les parties fluorescentes de la structure étaient imprimées en balayant différents niveaux de la microstructure 3D fluorescente. Dans le travail, ils ont montré que les résultats entre les modèles de test conçus et les données mesurées étaient en bon accord.
De cette façon, Mayer et al. a introduit un système microfluidique capable d'effectuer des étapes d'injection de résine photosensible et de développement d'échantillons dans une machine de lithographie laser disponible dans le commerce. Le système a facilité la fabrication de structures de lithographie laser 3-D multimatériaux. Comme preuve de principe, ils ont imprimé des éléments de sécurité 3D complexes à l'aide du système combiné de l'étude.
Les scientifiques envisagent que les systèmes combinés de lithographie microfluidique et laser deviendront largement utilisés à l'avenir pour fabriquer des micro- et nanostructures 3-D complexes avec de multiples matériaux. De tels matériaux et systèmes auront des applications dans divers domaines tels que les échafaudages 3D pour la culture cellulaire, métamatériaux 3D, Systèmes micro-optiques 3D et fonctions de sécurité 3D, comme indiqué dans l'étude.
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