Разработан простой и эффективный способ контроля структур методом двухфотонной литографии

Новый способ контроля наноразмерного производства с помощью двухфотонной литографии может помочь повысить точность и эффективность создания 3D-инженерных тканевых скаффолдов, говорится в новом исследовании.

Тканевые скаффолды имитируют естественные внеклеточные матрицы организма, что создает трехмерную среду, идеальную для формирования тканей.

Цзелие Сун (Jieliyue Sun), аспирант инженерного факультета из лаборатории Кимани Туссен (Kimani Toussaint) Университета Брауна, представит результаты этого исследования на конгрессе Optica Imaging Congress. Гибридная встреча пройдет с 14 по 17 августа 2023 года в Бостоне.

Тканевые скаффолды — это трехмерные структуры, способные поддерживать рост и развитие клеток или тканей для биомедицинских применений, таких как тканевая инженерия, регенеративная медицина и тестирование лекарственных препаратов. Поведение клеток меняется в зависимости от геометрии скаффолдов на микромасштабном уровне, — пояснил Сунь.

Мы заинтересованы в том, чтобы исследовать эти геометрические параметры в точно контролируемом режиме.

Двухфотонная литография использует нелинейное явление, известное как двухфотонное поглощение, для создания трехмерных структур с размерами элементов, меньшими, чем дифракционный предел. Этот подход к изготовлению хорошо подходит для непосредственного создания трехмерных биомедицинских лесов, поскольку с его помощью можно создавать сложные трехмерные микроструктуры высокого разрешения на основе моделей автоматизированного проектирования (CAD). Однако для оценки точности структур, изготовленных с помощью двухфотонной литографии, как правило, требовались дорогостоящие и трудно реализуемые методы микроскопии.

В новой работе исследователи демонстрируют новый подход к мониторингу in-situ, использующий адаптивное вычитание фона для послойного контроля изготовления структур методом двухфотонной литографии в режиме реального времени. Он не требует модификации оптической системы и относительно просто реализуется в большинстве систем двухфотонной литографии.

Новый подход использует алгоритм мониторинга и управления процессом, который улучшает возможности оптического секционирования яркопольной микроскопии в осевом направлении. Он работает путем получения фоновых изображений перед началом изготовления каждого слоя и последующего вычитания переднего плана из адаптивного фона. Это позволяет устранить оптический вклад от ранее напечатанных слоев и получить информацию об одном слое.

Исследователи продемонстрировали подход к мониторингу, изготовив группу синтетических волокон со случайной ориентацией, структура которых напоминает произвольный тканевый скаффолд. 3D-модель состояла из 44 сечений с осевым шагом 1 мм. После обработки изображений и вычисления кросс-корреляции алгоритм использовался для определения параметра качества (q), который указывает на достоверность процесса изготовления. Если значение q ниже определенного порога, генерируется сообщение об ошибке.

Сун отмечает:

Оптимизировав параметры процесса, мы воспроизвели входную модель лесов с высокой геометрической точностью и при этом выявили внутренние особенности архитектуры. Эксперимент показал, что новый метод мониторинга и управления процессом позволил повысить качество и эффективность нанопроизводства с использованием двухфотонной литографии.

Эта работа открывает путь к высокоточному синтезу структурированных тканевых скаффолдов, а еще ее поддержали грантом Отдела гражданских, механических и производственных инноваций Национального научного фонда.

05.08.2023