Freiform-Lichtaktoren - Herstellung und Steuerung der Betätigung in mikroskopischer Skala
25. Mai 2016
Hier stellen wir polymere 3D-Mikro-/Nanostrukturen her, in denen sowohl die Form als auch die molekulare Ausrichtung mit Hilfe von direktem Laserschreiben mit Genauigkeit im Nanometerbereich hergestellt werden können. Die lichtinduzierte Verformung verschiedener Arten von flüssigkristallinen Elastomer-Mikrostrukturen kann auf der mikroskopischen Skala gesteuert werden.
Das übergeordnete Ziel dieses zweistufigen Laserschreibverfahrens ist es, elastomerbasierte mikrometergroße Lichtbetätigungsstrukturen zu erhalten. Die Methode kann helfen, zentrale Fragen in den Bereichen Mikrobiotik und Mikrofluidik zu beantworten. Zum Beispiel, wie man eine einzelne Mikrostruktur mit komplexer Bewegung erzeugt.
Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass die molekulare Orientierung manuell im Mikromaßstab strukturiert werden kann. Somit kann die spezifische Form der Betätigung aperturgesteuert werden. Einige dieser Methoden können Mikrobiotika im Inneren bereitstellen, aber sie können auch auf verschiedene Systeme angewendet werden, z. B. durch das Einstellen photonischer Geräte oder Materialien, die auf unterschiedliche Reize reagieren.
Einen Teil des Eingriffs wird Daniele Martella, ein Postdoc aus meinem Labor, demonstrieren. Reinigen Sie zunächst einen Glasdeckel mit einem Durchmesser von 3 cm mit Aceton und Linsentuch. Lege dann mit einer Pinzette oder Pinzette einige Mikroglaskugeln etwa einen halben Zentimeter vom Mittelpunkt entfernt auf den Objektträger.
Diese fungieren als Abstandshalter. Legen Sie einen Objektträger mit einem Durchmesser von 1 cm auf die Abstandshalter und drücken Sie ihn vorsichtig in Position. Geben Sie als nächstes etwa zwei Mikroliter UV-härtenden Kleber in den Spalt zwischen den Objektträgern an den drei verschiedenen Stellen, an denen sich die Abstandshalter befinden.
Bevor der Kleber zu weit in den Spalt eindringt, härten Sie den Kleber mit UV-Licht aus. Diese bildet die Zelle für das Experiment. Tropfen Sie nun entlang des Randes der Zelle etwa 10 Mikroliter IPL-Harz.
Warten Sie einige Minuten, bis die Flüssigkeit in den gesamten Bereich der Zelle eingedrungen ist. Befestigen Sie dann die Zelle mit Fixo-Kleber auf dem Probenhalter. Platzieren Sie die Baugruppe in das Direct Laser Writing-System, und suchen Sie mit einem 100X-Objektiv die Schnittstelle an der oberen Innenfläche.
Nehmen Sie als Nächstes eine Neigungskorrektur vor, da die Folie nicht perfekt horizontal ist. Schreiben Sie nun die Strukturen der entworfenen IPL-Grading-Muster mit einer Laserleistung von 6 Milliwatt bei 60 Mikrometern pro Sekunde. Die Grading-Muster werden mit Kurven oder geraden Linien erstellt.
Suchen Sie dann die Schnittstelle und neigen Sie sie korrekt zur unteren Innenfläche. Schreibe die Anleitung auch dorthin. Übertragen Sie die Zelle nun für 12 bis 24 Stunden in ein Isopropanolbad.
Öffnen Sie die Zelle noch nicht. Am nächsten Tag trocknen Sie die Zelle auf einer 50 Grad heißen Platte für 10 bis 20 Minuten. Beginnen Sie diesen Vorgang, indem Sie etwa 300 mg Monomermischung abmessen.
Geben Sie die Mischung in eine Glasflasche und stellen Sie sie auf eine auf 70 bis 80 Grad Celsius eingestellte Kochplatte, um das Pulver zu schmelzen. Sobald es geschmolzen ist, rühren Sie es eine Stunde lang zwischen 90 und 150 U/min. Sobald die Mischung homogen ist, stellen Sie die vorbereitete Zelle bei 60 Grad Celsius auf die Herdplatte und tropfen Sie 20 Mikroliter der Mischung entlang des Randes des kleineren Objektträgers.
Lassen Sie die Flüssigkeit in die Zelle einziehen. Schirmen Sie dann den Objektträger vor Licht ab und übertragen Sie ihn mit einem Kreuzpolarisator und einem Temperaturregler auf das Mikroskop. Bevor Sie die Zelle beleuchten, befestigen Sie einen orangefarbenen Filter an der Lampe, um die UV-Strahlung herauszufiltern. Erhitzen Sie dann die Zelle mit der beheizten Stufe auf über 60 Grad Celsius.
Senken Sie nun die Temperatur mit einer Rate von zwei bis 10 Grad Celsius pro Minute, um den Temperaturbereich für die Flüssigkristallphase zu messen. Beobachten Sie die Probe mit Bildkontrastinvertierung, während Sie sie um 45 Grad in Bezug auf die Polarisationsachse drehen. Schließlich sollte eine gute homogene nematische Flüssigkristallphase festgestellt werden.
Befestigen Sie anschließend die Zelle auf einem Probenhalter für das DLW-System. Laden Sie die Probe und stellen Sie die Temperatur ein, um in die Flüssigkristallphase zu gelangen. Suchen Sie dann die Schnittstelle der unteren Innenfläche und führen Sie die Neigungskorrektur mit einem 100X-Objektiv durch.
Dann schreiben Sie die LCE-Strukturen mit der Laserleistung von vier Milliwatt und mit 60 Mikrometern pro Sekunde. Wenn ein 10-fach-Objektiv verwendet wird, stellen Sie den Laser auf 14 Milliwatt ein und machen Sie sich keine Sorgen, die Schnittstelle zu finden. In diesem Fall wird die Struktur auf die gesamte Dicke der Probe zugeschnitten.
Entladen Sie dann die Zelle und entfernen Sie mit einer Klinge den oberen Glasschieber. Tauchen Sie die Strukturen nach abgenommener oberer Rutsche fünf Minuten lang in ein Toluolbad und trocknen Sie sie dann 10 Minuten lang an der Luft. Um die LCE-Mikrostrukturen zu charakterisieren, legen Sie die Probe in das selbstgebaute Mikroskop und fokussieren Sie einen Laser mit einem 10X-Objektiv auf die Strukturen.
Beobachten Sie nun mit einer CMOS-Kamera die lichtinduzierte Verformung. Platzieren Sie mit der manuellen Steuerung des Mikromanipulationssystems die Glasmikrospitzen, die sich an den Manipulatorarmen befinden, in der Nähe der LCE-Mikrostrukturen. Schalten Sie nun den Laser auf geringe Leistung ein, etwa 20 Milliwatt, um die Temperatur des LCE zu erhöhen und so die Struktur weicher zu machen.
Nehmen Sie dann mit den Glasspitzen eine LCE-Mikrostruktur auf und halten Sie sie in die Luft. Dieser Prozess ist notwendig, um ein Anhaften von der Glasoberfläche zu vermeiden. Erhöhen Sie anschließend die Laserleistung um mehr als 100 Milliwatt.
Zeichnen Sie dann die lichtinduzierte Verformung der LCE-Struktur für die Analyse auf. Vier zylindrische LCE-Strukturen mit einem Durchmesser von 60 Mikrometern und einer Höhe von 20 Mikrometern wurden auf vier unterschiedlich ausgerichteten IPL-Sortierbereichen mit einer Periode von einem Mikrometer hergestellt. Unter Lichtanregung nahmen die Farbstoffe im LCE Energie auf und gaben sie in das Netzwerk ab.
Die Strukturen gingen von der nematischen in die isotrope Phase über, zogen sich entlang des ursprünglichen LC-Ausrichtungsleiters zusammen und dehnten sich in senkrechter Richtung aus. Diese Technik ermöglicht die Herstellung von Verbundantrieben, die mehr als eine Art von Ausrichtung in einer einzigen Struktur enthalten. Zum Beispiel wurde ein 400 x 40 x 20 Mikrometer großer LCE-Streifen mit zwei Abschnitten von Ausrichtungsmustern hergestellt, die eine 90-Grad-Verdrehung enthielten.
Bei Lichteinfall zog sich die Fläche mit paralleler Ausrichtung zusammen, während sich die Fläche mit senkrechter Ausrichtung ausdehnte. Dadurch wird die Struktur in zwei verschiedene Richtungen gebogen. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man flüssigkristalline Elastomere mit einem Direct Laser Writing-Setup ausrichtet und wie man Mikroaktuatoren mithilfe von Licht bewegt
.Übersicht
Diese Studie stellt ein zweistufiges Laserschreibverfahren zur Herstellung mikrometergroßer, auf Elastomeren basierender lichtaktuierten Strukturen vor. Die Methode ermöglicht eine präzise Kontrolle der molekularen Ausrichtung und Aktuation in Mikrostrukturen, die in verschiedenen Bereichen wie der Mikrobiotik und der Mikrofluidik Anwendung finden kann.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Neurowissenschaften
- Mikrofluidik
- Materialwissenschaft
Hintergrund
- Mittels direktem Laserschreiben lassen sich mikro- und nanostrukturierte Geometrien herstellen.
- Flüssigkristalline Elastomere können auf mikroskopischer Skala gezielt beeinflusst werden.
- Das Verständnis komplexer Bewegungen in Mikrostrukturen ist für zahlreiche Anwendungen entscheidend.
- Die Technik kann zudem in photonischen Bauelementen eingesetzt werden.
Zweck der Studie
- Erstellung von Mikrostrukturen mit komplexen Bewegungsfähigkeiten.
- Manuelle Strukturierung der molekularen Ausrichtung in Elastomeren.
- Untersuchung von Anwendungen in der Mikrobiotik und bei responsiven Materialien.
Verwendete Methoden
- Herstellung einer Zelle unter Verwendung von Objektträgern und UV-härtendem Klebstoff.
- Direktes Laserschreiben zur Erzeugung gezielter IPL-Graduierungsmuster.
- Charakterisierung der LCE-Mikrostrukturen mittels eines selbstgebauten Mikroskops.
- Beobachtung lichtinduzierter Deformationen unter Verwendung eines Lasers und einer CMOS-Kamera.
Hauptergebnisse
- Es wurden erfolgreich vier zylindrische LCE-Strukturen hergestellt.
- Die Strukturen zeigten eine lichtinduzierte Deformation, die von der nematischen in die isotrope Phase übergeht.
- Es wurden zusammengesetzte Aktuatoren mit mehrfachen Ausrichtungsmustern erzeugt.
- Es wurde eine Biegung in zwei unterschiedliche Richtungen unter Lichtbestrahlung demonstriert.
Schlussfolgerungen
- Die Studie veranschaulicht erfolgreich die Ausrichtung von flüssigkristallinen Elastomeren.
- Das Direkte-Laser-Schreiben ist eine wirksame Methode zur Herstellung von Mikroaktuatoren.
- Durch molekulare Ausrichtung kann die Lichtaktuation präzise gesteuert werden.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Diese Methode ermöglicht eine präzise Kontrolle der molekularen Ausrichtung in flüssigkristallinen Elastomeren auf mikroskopischer Skala und unterstützt so die Entwicklung lichtgesteuerter Mikroaktuatoren mit programmierbarer Deformation. Durch die Integration des direkten Laser-Schreibverfahrens sowohl für die strukturelle Herstellung als auch für die Ausrichtungsmusterung wird eine zentrale Herausforderung bei der Erzeugung komplexer, multifunktionaler mikroskaliger Systeme gelöst. Der Ansatz bietet Vorhersagewert für die frühe Entdeckungsphase in bioinspirierter Robotik, abstimmbaren photonischen Systemen und Lab-on-Chip-Plattformen, bei denen ein stimuliulöser Antwortverhalten entscheidend ist.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Untersuchung von Struktur-Funktions-Beziehungen in stimuli-empfindlichen Materialien, indem die geometrische Gestaltung von der Kontrolle der molekularen Ausrichtung entkoppelt wird.
- Operationaler Wert: Unterstützt die Überprüfung von Hypothesen zu den Auswirkungen der flüssigkristallinen Ausrichtung auf Aktuationsdynamiken, ohne dass die Synthese neuer Chemikalien erforderlich ist.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Bietet eine Plattform, um Bibliotheken von Ausrichtungsmustern hinsichtlich gewünschter optomechanischer Ausgangssignale unter standardisierter Lichtstimulation zu untersuchen.
- Operativer Wert: Ermöglicht die reproduzierbare Herstellung von Mikroaktuatoren mit quantifizierbaren Verformungsmetriken für die Einsatzbereitschaft in Assays.
Translationale und präklinische Forschung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die krankheitsrelevante Prüfung der Leistung von Mikroaktoren in mikrofluidischen Umgebungen, die physiologische Strömungs- oder Einschränkungsbedingungen nachahmen.
- Operationeller Wert: Unterstützt iterative Entwicklungs- und Testzyklen zur Optimierung von Aktivierungsgeschwindigkeit, Richtungskontrolle und Kraftausgabe in mikrosystemtechnischen Prototypen.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Methode verbindet frühes Materialdesign mit funktioneller Validierung und nimmt im Entdeckungsprozess für die Entwicklung von Mikroaktuatoren eine Zwischenstellung zwischen molekularem Design und phänotypischem Screening ein.
- Entdeckungsbiochemie: Unterstützt die mechanistische Entlastung, indem der Einfluss der LC-Ausrichtung auf lichtinduzierte Formänderungen als unabhängige Variable isoliert wird.
- Screening: Ermöglicht die Erzeugung standardisierter Mikroaktor-Arrays mit definierten Aktivierungsprofilen für die Untersuchung von Substanzen oder Stimuli.
- Analytik: Liefert quantitative, zeitlich aufgelöste Deformationsmessungen mittels laserinduzierter Bildgebung, um verschiedene Ausrichtungsbedingungen zu vergleichen.
- Translationale Forschung: Verbindet molekulares Programmieren mit funktionellem Output in mikroskaligen Systemen und unterstützt so die Kontinuität von der Materialentwicklung bis hin zu geräteähnlichem Verhalten.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Schafft eine anpassungsfähige Plattform zur Erzeugung vielfältiger Aktivierungsmodi aus einem einzigen Grundmaterial allein durch Strukturierung.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Verringert die Mehrdeutigkeit bei der Zuschreibung von Aktuationsverhalten auf molekulare Ausrichtung im Vergleich zu geometrischen Faktoren.
- Operationaler Wert: Ermöglicht die Standardisierung der Herstellung von Mikroaktuatoren durch entkoppelte Schreibschritte für Struktur und Ausrichtung.
- Strategischer Wert: Verbessert die Entscheidungsfindung zwischen Fortführung und Abbruch in Mikrorobotik- oder photonischen Programmen, indem vorhersagbare und einstellbare Aktuationsprofile bereitgestellt werden.
- Portfolio-Wirkung: Unterstützt eine risikoadjustierte Investition in stimuliempfindliche Materialplattformen, indem das Vertrauen in die Vorhersagbarkeit der Leistung auf mikroskopischer Ebene erhöht wird.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse im Phasenverhalten von Flüssigkristallen, der Polymerphysik und der Direkten Laserstrahlschreibung.
- Setzt Zugang zu DLW-Systemen mit präziser Leistungs- und Geschwindigkeitsregelung für mehrstufige Schreibprozesse voraus.
- Benötigt die Kontrolle der Umgebungsbedingungen (Temperatur, Polarisation) zur Charakterisierung der Flüssigkristallphase und zur Aktuator-Testung.
- Beinhaltet die materialspezifische Optimierung von Monomerzusammensetzungen, UV-Aushärtung und Nachbearbeitungsschritten.
- Eingeschränkt durch die Notwendigkeit von Lösungsmittelwäsche und Trocknungsschritten nach der Herstellung, die empfindliche Mikrostrukturen beeinträchtigen können.
