La polymérisation à deux photons est une méthode potentielle de nanofabrication permettant d'intégrer des nanomatériaux basée sur des méthodes basées sur le laser femtoseconde. Les défis dans le domaine de la nano-impression 3D incluent une impression lente couche par couche et des options de matériaux limitées en raison des interactions laser-matière.
Dans un nouveau rapport sur Science Advances , Chenqi Yi et une équipe de scientifiques en sciences technologiques, médecine et génie industriel de l'Université de Wuhan en Chine et de l'Université Purdue aux États-Unis, ont présenté une nouvelle approche de nano-impression 3D connue sous le nom de nano-impression en espace libre en utilisant une brosse à force optique.
Ce concept leur a permis de développer des chemins d'écriture précis et spatiaux au-delà des limites optiques pour former des structures fonctionnelles 4D. La méthode a facilité l'agrégation et la solidification rapides des radicaux pour faciliter la polymérisation avec une sensibilité accrue à l'énergie laser, pour fournir une peinture de haute précision dans un espace libre, un peu comme la peinture au pinceau chinois sur papier.
Grâce à cette méthode, ils ont augmenté la vitesse d'impression pour imprimer avec succès une variété de modèles musculaires bioniques dérivés de nanostructures 4D avec des propriétés mécaniques réglables en réponse à des signaux électriques avec une excellente biocompatibilité.
Les nanodispositifs et les nanostructures peuvent être conçus à haute résolution et rapidement pour former des produits de nouvelle génération. L'industrie des semi-conducteurs peut utiliser la lithographie, le dépôt et la gravure pour créer des structures 3D à partir d'une variété de matériaux, bien que le coût de traitement élevé et la sélection limitée de matériaux puissent affecter la fabrication flexible de structures 3D à partir de matériaux fonctionnels.
Les scientifiques des matériaux ont utilisé l'écriture directe par laser femtoseconde basée sur la polymérisation à deux photons pour créer des nanostructures 3D complexes à l'aide de micro/nanopolymères afin de former des quasi-cristaux photoniques, des métamatériaux et des nanoarchitectures.
Cependant, cette méthode est encore limitée par une vitesse d'impression lente, des textures de surface en escalier et des matériaux photodurcissables limités. Dans ce travail, Yi et al. a examiné l'écriture laser en espace libre pour analyser comment elle produit des forces photochimiques pour réaliser une nanopeinture à base de pinceau à force optique.
Peinture en espace libre avec un laser femtoseconde
Lorsque les échelles de temps atteignent la femtoseconde, les molécules peuvent absorber le photon pour l'exciter dans un état électroniquement plus élevé avec une surface d'énergie potentielle répulsive, afin de générer des radicaux libres.
Les scientifiques peuvent utiliser des mécanismes d’absorption multiphotonique pour absorber l’énergie des photons à impulsion ultracourte dans les molécules et activer la transition électronique entre l’état fondamental et l’état excité. Yi et ses collègues ont irradié des radicaux actifs avec un laser femtoseconde pour que les forces optiques les agrégent rapidement et les synthétisent en macromolécules pour terminer rapidement la solidification sans post-traitement, tout en minimisant le mouvement thermique des molécules de solvant.
Les chercheurs ont développé une encre à base d'hydrogel sous forme de photocommutateur activé lors de l'écriture au laser femtoseconde par absorption à deux photons, où les radicaux présents dans le gel absorbaient l'énergie photonique du laser femtoseconde. Tandis que les radicaux libres formaient une énergie de liaison dans les molécules, l'équipe a connecté les molécules à longue chaîne à différents groupes fonctionnels pour diverses applications.
L'encre imprimable à base d'hydrogel offrait des conditions hautement biocompatibles, élastiques et flexibles pour de multiples applications de nanostructures imprimables en espace libre en biomédecine.
Mécanisme d'action
Le faisceau laser se déplaçait librement dans la solution, un peu comme un stylo dans l’espace, et impliquait trois étapes :l’activation, l’agrégation et la solidification des radicaux libres. Les scientifiques ont cultivé séparément les taux de polymérisation pour la polymérisation à deux photons et la brosse à force optique avec un modèle multiphysique.
L’approche a considérablement amélioré l’efficacité de la structure d’écriture grâce à une méthode d’impression couche par couche, ligne par ligne, dans laquelle le nombre de couches était directement corrélé à la résolution en épaisseur. Le procédé a également permis d’améliorer considérablement l’efficacité et la précision de l’écriture des nanostructures 3D. Ils ont affiné les résultats expérimentaux pour montrer comment la force optique appliquée aux radicaux libres était directement liée au nombre d'impulsions, à l'intensité du champ laser et à son coefficient d'absorption.
Lorsque le laser femtoseconde irradiait le matériau, l'énergie cinétique des photons était échangée avec les radicaux libres actifs pour se déplacer sous l'effet de la force optique, ce qui aboutissait finalement à une nano-impression 3D nette et à haute résolution. L'équipe a étudié les mécanismes fondamentaux sous-jacents à ces processus grâce à des simulations numériques via des simulations multiphysiques pour examiner le mouvement et le processus composite des radicaux.
Cette méthode a permis à Yi et à ses collègues d’imprimer des tissus musculaires, abdominaux et tendineux composés d’imbrications multicouches de fibres et de faisceaux de fibres difficiles à imprimer via les méthodes d’impression 3D traditionnelles. L'équipe a imprimé la forme interne et externe du muscle, tout en activant son mouvement via une stimulation électrique avec une encre fonctionnelle à base d'hydrogel. Il en résulte la première instance permettant de réaliser simultanément une nano-impression bionique structurelle et fonctionnelle.
Les scientifiques ont démontré la structure du tendon et du ventre du rat imprimé par une brosse à force optique et une méthode couche par couche. Les méthodes ont montré le potentiel d'imprimer des structures multicouches dans l'espace 3D, tandis que l'épaisseur des fibres musculaires devenait fine à épaisse pour conférer une variété de fonctionnalités.
Les chercheurs ont montré la possibilité d’implanter complètement les micro et nanostructures dans un organisme pour réaliser des biostructures fonctionnelles et structurelles à cette échelle. Cette méthode d'impression en espace libre grâce à la technique du pinceau à force optique ouvre la possibilité d'appliquer des micro et nanostructures multifonctionnelles en biologie.
Perspectives
De cette façon, Chenqi Yi et ses collègues ont utilisé le pinceau à force optique comme méthode intégrant un pinceau laser femtoseconde pour imprimer des structures fonctionnelles avec une véritable liberté 3D. La brosse à force optique possède des capacités uniques avec un processus sous-jacent de nanopeinture activé par la force optique, pour faciliter un taux de solidification ultra élevé, un faible seuil de solidification et une sensibilité élevée au laser pour réguler avec précision le processus d'impression. La sensibilité leur a permis de réguler avec précision et de créer des structures complexes avec des détails fins.
Cela a abouti à une véritable liberté d’impression 3D pour une impression continue et des transitions fluides entre les différents plans. Les travaux ont également exploré les mécanismes des forces optiques pour la nano-impression dans l’espace libre lors de l’utilisation d’une brosse à force optique. Cela comprenait les interactions du laser femtoseconde avec les radicaux libres dans le photocommutateur à encre hydrogel ; un mécanisme également exploré à travers des simulations numériques.
La recherche a souligné la capacité de la brosse à force optique à développer des structures fonctionnelles bioniques et à ouvrir la voie à des études supplémentaires en ingénierie tissulaire et en médecine régénérative dotées de propriétés révolutionnaires.
Plus d'informations : Yi C. et al, Le pinceau à force optique a permis de peindre en espace libre des structures fonctionnelles 4D, Science Advances (2023). DOI :10.1126/sciadv.adg0300
Ergin T. et coll. Cape d'invisibilité tridimensionnelle aux longueurs d'onde optiques, Science (2023). DOI :10.1126/science.1186351
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