מיקרו-ייצור של אופטיקה מושתלת משולבת בחלון הדמיה מיקרו-מובנה להדמיה מתקדמת in vivo
April 11th, 2025
פרוטוקול זה מתאר ייצור של חלון הדמיה משולב מושתל באמצעות הדפסת לייזר תלת מימדית. החלון מורכב ממערכת של מיקרו-עדשות יחד עם מיקרו-פיגומים. השיטה כוללת פילמור דו-פוטוני (2PP) של הפוטו-רזיסט SZ2080 התואם ביולוגית ברצף רציף, תוך אופטימיזציה של יעילות הייצור והיישור בין הרכיבים השונים.
נעצים את חקר התהליכים הביולוגיים בבעלי חיים באמצעות ויזואליזציה בזמן אמת, השתלת שבב ממוזער, המיוצר בהדפסת לייזר תלת מימד של חומר ביו-תואם.
האתגר העיקרי הוא כוונון עדין של פרמטרי הייצור, כגון כוח ומהירות, בהתחשב בתנאי כתיבה שונים, בינתיים, מיקרו-מבנה בשני המשטחים של אותה תת-קבוצה בדיוק ובעקביות. התוצאה המדויקת היא יצירת פרוטוקול רב-תכליתי לייצור כלי הדמיה אופטי חדשני, מושתל, המצמיד ישירות עדשות מיקרו גדולות לאזור יעד מיקרו-מבנה תלת מימדי ליישומים ביולוגיים שונים.
כעת, לאחר שפרוטוקול הייצור עבר אופטימיזציה, אנו עובדים על השתלה והדגמה של יכולות ההדמיה של השבב. לדוגמה, לבדיקת חומר מיו in vivo.
[מדריך בינה מלאכותית] כדי להתחיל, הפעל את מקור הלייזר האינפרא אדום הפמטו-שנייה. יישר את הנתיב האופטי של קרן הלייזר עד שהיא מגיעה למטרת המיקרוסקופ באמצעות סדרה של אופטיקה ומראות המותקנות על תושבות מראה קינמטיות. סובב את המראות באופן איטרטיבי כדי למרכז את הקרן בתוך יישור אינפרא אדום קרוב. חורים מכוונים את קרן הלייזר בניצב למחזיק הדגימה על ידי יישורו באמצעות מרכוז השתקפות אחורית. כדי להרכיב את הדגימה על מחזיק המדגם, השתמש בסרט כדי לתקן את החלקת כיסוי הזכוכית הכפולה על מחזיק הדגימה כשהטיפה השנייה המופקדת פונה כלפי מטה. לאחר מכן הרכיב את מחזיק המדגם על שלבי התרגום, הרכיב ידנית את מחזיק הדגימה, ולאחר מכן הרכיב את מטרת המיקרוסקופ למרחק עבודה ארוך על התמיכה הייעודית בסוף הנתיב האופטי, קרוב לדגימה, ומרכז את הדגימה עם המטרה. הגדר את עוצמת הלייזר לערך המינימלי, כחמישה מילי-וואט, מספיק כדי לדמיין את השתקפות הקרן בתוכנת מצלמת ה-CCD. מקד את קרן הלייזר על המשטח העליון של טיפת ההתנגדות הראשונה. עקבו אחר הפרופיל המעוקל של הטיפה כדי לאתר את קצוות הדגימה לאורך כיווני x ו-y. הגדר את מרכז הטיפה כהתייחסות אפס מוחלט באמצעות התוכנה. מקד את קרן הלייזר על הממשק בין המשטח העליון של החלקת כיסוי הזכוכית לבסיס הטיפה הראשונה של פוטו-רזיסט במרכז הדגימה. הגדר זאת כהתייחסות אפס על ציר z. עבור למיקום הקצה בכיוון ציר ה-x השלילי למשך כ-3.5 מילימטרים עבור החלקת כיסוי של 12 מילימטר והתמקד באותו ממשק. הגדר זאת כהתייחסות האפס המוחלט לאורך כיוון z. חזור על אותו הדבר עבור כיוון ציר ה-x החיובי למשך כ-3.5 מילימטרים והתמקד באותו ממשק. לאחר מכן הטה את הדגימה כדי לתקן סטיות בכיוון z בין ציר ה-x השלילי לציר ה-x החיובי. בצע את אותו הליך שהודגם קודם לכן לאורך ציר ה-x עבור ציר ה-y. לאחר איזון על ציר x ו-y, חזור למיקום המרכזי והתמקד בממשק בין הזכוכית להתנגדות. הגדר את ערך z החדש של המוקד כהפניה לאפס בציר z. הפעל את מערכת תאורת ה-LED האדומה לניטור בזמן אמת של תהליך הפילמור. כשהלייזר כבוי, הזז את המטרה לאורך כיוון z מתחת להחלקת כיסוי הזכוכית כדי לאתר את הממשק השני בין המשטח התחתון של הזכוכית לבסיס טיפת ההתנגדות התחתונה. הגדל את עוצמת הלייזר ל-100 מילי-וואט כדי ליזום פילמור דו-פוטוני. כוונן את מיקום המוקד על ידי הגדלת z עד לפילמור מבנה ייחוס פשוט. הגדר את מיקום המוקד הראשוני הזה כהתייחסות אפס לאורך ציר z. הגדר הספקי פילמור בין 100 ל-200 מילי-וואט והפעל את קוד המכונה כתוכנית בקרה מספרית ממוחשבת לשלבי התרגום כדי לייצר את המבנה התלת מימדי הרצוי. לאחר מכן, עברו לאורך ציר z כדי לחזור לממשק הראשון בין משטח הזכוכית העליון לטיפה העליונה של הפוטו-רזיסט. פילמור מבנה ייחוס פשוט לאיתור הממשק. הגדר את קו הפילמור הראשון כהתייחסות אפס לאורך ציר z. כוונן את עוצמת הפילמור בין 15 ל-20 מילי-וואט והפעל את התוכנית המנחה את תנועות שלב התרגום. כשהלייזר כבוי, השבת את צירי התרגום x, y ו-z והסר את מחזיק הדגימה ממערך הייצור הניסיוני. רפא את הסרט הדביק ונתק את הדגימה מהמחזיק. לאחר פיתוח הדגימה, הנח את החלקת מכסה הזכוכית על מחזיק דגימה התלוי ממישור הקרקע, הנח את הדגימה כשעדשות המיקרו פונות כלפי מטה. מקם את הדגימה מתחת למקור ה-UV בכיוון בניצב ביחס למשטח החלקת כיסוי הזכוכית. חשוף את הדגימה לקרינת UV. הגדר על 300 מילי-וואט למשך 120 שניות. הטה את מקור ה-UV לפלוס ומינוס 45 מעלות ביחס למיקום הרגיל של מישור הדגימה וחזור על הליך החשיפה. הנח את דגימת הזכוכית על המחזיק בזווית של 45 מעלות ביחס לכיוון מצלמת ה-SEM. חזור על תהליך הרכישה עבור שני המשטחים של החלקת כיסוי הזכוכית כדי לאסוף תמונות SEM תלת מימדיות של פיגומי המיקרו ועדשות המיקרו. ההליך המוצג מאפשר פילמור של מיקרו-מבנים תלת מימדיים של שני המשטחים של אותו מכשיר, מה שמבטיח רזולוציה ויציבות מצוינים. הדמיה חוץ גופית הראתה צמיחה מוצלחת של תאים בתוך הפיגום הקטן, שצולמו דרך עדשות המיקרו, המייצגים דוגמה ליישום סופי של המכשיר המוצע.
סקירה
פרוטוקול זה מתאר את ייצורה של חלון הדמיה משולב וניתן להשתלה תוך שימוש בטכנולוגיית הדפסת לייזר תלת-ממדית. העיצוב החדשני משלב מיקרו-עדשות ומסבכים מיקרוסקופיים, ומאפשר הדמיה בזמן אמת של תהליכים ביולוגיים בבעלי חיים חיים.
רכיבי מחקר מרכזיים
תחום המדע
- מדעי המוח
- ביוטכנולוגיה
- הדמיה אופטית
רקע
- הדמיה בזמן אמת במחקר ביולוגי חיונית להבנת תהליכים דינמיים.
- הדפסת לייזר תלת-ממדית מציעה דיוק ביצירת מיקרו-מבנים מורכבים.
- חומרים תואמי ביולוגיה חיוניים להתקנים ניתנים להשתלה.
- פולימריזציה דו-פוטונית (2PP) היא טכניקה מרכזית בייצור מיקרו-מבנים.
מטרת המחקר
- לפתח פרוטוקול רב-תכליתי ליצירת כלי הדמיה אופטי.
- לשפר את ההדמיה של תהליכים ביולוגיים in vivo.
- לייעל פרמטרים של ייצור לשיפור יעילות ודיוק.
שיטות ששימשו
- שימוש בלייזר תת-פמטו-שניות תת-אדום לצורך 2PP.
- יישור רכיבים אופטיים לצורך מיקוד מדויק של הלייזר.
- פולימריזציה צעד אחר צעד של פוטורזיסט תואם ביולוגיה.
- מעקב בזמן אמת אחר תהליך הפולימריזציה באמצעות תאורת LED.
תוצאות עיקריות
- ייצור מוצלח של מיקרו-מבנים תלת-ממדיים ברזולוציה גבוהה.
- הוכחת הדמיה in vitro של גידול תאים בתוך מסבכים מיקרוסקופיים.
- קביעת פרוטוקול אמין להשתלת רכיבים אופטיים.
- אימות יכולות ההדמיה של המכשיר הניתן להשתלה.
מסקנות
- חלון ההדמיה שפותח יכול לקדם משמעותית מחקר ביולוגי.
- טכניקות ייצור מותאמות מבטיחות שחזוריות ודיוק.
- פרוטוקול זה משמש בסיס ליישומים עתידיים במחקרים על בעלי חיים חיים.
שאלות נפוצות
Executive Industry Relevance
Implantable microstructured imaging windows with integrated optics enable real-time, high-resolution visualization of biological processes in living animal models, directly supporting advanced biomaterials and drug testing. This capability enhances predictive confidence in preclinical research by allowing quantitative, longitudinal assessment of immune responses and tissue integration. The streamlined fabrication protocol increases reproducibility and scalability, positioning the technology as a reusable platform for translational R&D pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables direct, in vivo quantification of immune and tissue responses to candidate biomaterials.
- Supports mechanistic de-risking by providing real-time imaging of biological interactions at the implant interface.
- Facilitates functional validation of targets and pathways in physiologically relevant settings.
Screening & Assay Development
- Provides a standardized, reproducible platform for evaluating biomaterial and drug effects in animal models.
- Delivers quantitative imaging outputs suitable for comparative analysis across experimental conditions.
- Streamlines assay development by integrating micro-scaffolds and optics in a single implantable device.
Translational & Preclinical Research
- Aligns with disease-relevant in vivo models for translational biomarker discovery and validation.
- Enables continuity from discovery through preclinical validation by supporting longitudinal studies in the same animal.
- Reduces biological risk by providing robust, real-time data on implant performance and host response.
Pipeline & Workflow Integration
This microfabrication protocol fits within the continuum from early discovery through preclinical validation, enabling seamless integration of advanced imaging into biomaterials and drug testing workflows.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by enabling direct observation of biological responses in vivo.
- Screening: Provides assay-ready, reproducible devices for standardized evaluation of candidate materials or compounds.
- Analytics: Generates quantitative imaging data for robust statistical comparison of experimental groups.
- Translational Research: Facilitates biomarker alignment and risk-adjusted advancement decisions based on in vivo performance.
- Enterprise Reuse: Offers a scalable, adaptable platform for diverse preclinical applications across therapeutic areas.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in preclinical studies.
- Operational Value: Enhances standardization, reproducibility, and throughput in implantable device fabrication.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision-making and capital efficiency by providing high-content, real-time data.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and advancement of biomaterial and drug candidates.
Implementation Considerations
- Requires expertise in two-photon polymerization and microfabrication techniques.
- Needs access to femtosecond laser systems, UV curing infrastructure, and advanced imaging platforms.
- Demands rigorous cross-team standardization of fabrication and imaging protocols.
- Adaptation may be needed for different animal models or tissue targets.
- Structural and optical performance must be validated for each new application.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:00
Introduction
1:05
Alignment, Sample Mounting, and Tilt Compensation for Two-Photon Polymerization of Microstructures
3:55
Micro-Scaffolds 2PP on the Lower Photoresist Drop and Microlenses 2PP on the Upper Photoresist Drop
5:24
Sample Development, UV Irradiation, and Morphological Characterization
6:43
Representative Results
