超細光纖為3D列印微結構提供了新方法
研究人員利用光纖封裝的內部光線探針，用於3D列印微結構時的光線輔助。在滴入光聚合物時光選擇性變硬。這種新系統將來有一天可以在人體內進行三維列印。
研究人員首次發現，像人頭髮一樣纖細的光纖可以用基於激光的3D列印製造微觀結構。有一天，這種創新的方法可能會被應用在內窺鏡上，將微小的生物相容性結構直接植入體內的組織中。這種能力可以使修復組織損傷的新方法成為可能。
「隨著進一步研究發展，我們的技術可以成為一種內鏡微加工工具，在手術過程中是有價值的，」研究小組組長Paul Delrot說，他是來自瑞士洛桑聯邦理工學院。「這些工具可以用來印刷微型或納米尺度的三維結構，促進細胞的粘附和生長，從而產生修復受損組織的工程組織。」
在美國光學學會（OSA）《Optics Express》雜誌上，研究人員表明，他們的新方法可以創建一個1.0微米橫向結構（側）和21.5微米軸（深度）列印解析度。雖然這些微結構是在顯微鏡下製作的，但這種方法可能有助於研究細胞與動物模型中各種微結構的相互作用，這將有助於為人們進行內窺鏡列印鋪平道路。
創建組織結構的過程，研究人員將光纖的一端插入稱為光固化材料或治療中，並利用特定波長的光進行照射實現。他們使用光纖傳送並將激光逐點聚焦到液體中，從而形成一個三維的微觀結構。
通過將精緻的細節印刷到大的零件上，新的超小型微細加工工具也可以成為當今市面上可用的3D印表機的一個有用的附件，用於快速原型製造和個性化醫療設備應用。通過使用一個列印頭的解析度很低的散裝件和作為一個用於列印細節的印表機頭部件，可以實現多解析度的添加劑製造，」Delrot說。
簡化的安裝程序
目前基於激光的微細加工技術依賴於一種非線性光學現象，稱為雙光子聚合，以選擇性地固化液體感光材料內部的一個部分。這些技術很難用於生物醫學應用，因為雙光子光聚合需要複雜而昂貴的激光器，它們發射極短的脈衝，以及需要笨重的光學系統來傳送光。
使用廉價的激光和超薄的光纖，研究人員創造了中空的微觀結構，如在這裡所示。他們能夠創造一個1.0微米橫向結構（側）和21.5微米軸（深度）列印解析度。
我們小組擁有通過光纖操縱和整形光的專門知識，這使我們認為微結構可以用一個緊湊的系統來印刷。此外，為了使系統更加經濟實惠，我們利用一個非線性劑量響應聚合物。這可以用一個簡單的連續波激光，而不需要昂貴的脈衝激光器設備，」Delrot說。
為了選擇性地治癒特定體積的物質，研究人員利用了一種化學現象，這種現象只在一定強度的閾值以上才發生。通過光掃描參數和材料的行為進行了詳細的研究，研究人員發現最佳的參數使用這種化學現象進行列印，使用的是低功耗、廉價的連續發射激光器（而非脈衝）。
創建空心和實心結構，研究人員使用了現成的化學成分的光引發劑摻雜有機聚合物前驅體。他們把連續波激光發射到波長為488納米的可見光波長，這對於通過一根足夠小的光纖來容納注射器的細胞來說是安全的。使用稱為波前整形他們能夠聚焦光線在光致聚合物，只有一個小的三維點治癒的方法。在微加工之前執行校準步驟，使它們能夠在不移動光纖的情況下通過超薄光纖對激光進行數字化聚焦和掃描。
「相比於雙光子聚合的最先進的系統，我們的設備有一個粗糙的印刷解析度，然而，這對於研究細胞間的相互作用可能是足夠的，不需要笨重的光學系統也不昂貴的激光脈衝，」Delrot說。「由於我們的方法不需要複雜的光學元件，所以它可以適用於當前的內窺鏡系統。
走向臨床應用
研究人員正在開發生物相容性材料和緊湊的光傳輸系統，它是用於人體的必要的技術。還需要更快的掃描速度，但在儀器尺寸不太關鍵的情況下，通過使用商業內窺鏡代替超薄纖維可以克服這一限制。最後，需要一種技術來完成和處理體內的印刷結構，以創建具有生物醫學功能的微結構。
「我們的工作表明，三維結構可以不需要聚焦高功率飛秒脈衝激光技術就實現，」Delrot說。「使用不太複雜的激光器或光源將使添加劑製造起來更容易，並創造出新的應用機會，如我們演示的那樣。」
來源：https://phys.org/news/2018-01-ultra-thin-optical-fibers-d-microstructures.html
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