Free-forma Attuatori Light - Fabbricazione e Controllo di attuazione in scala microscopica
25 maggio 2016
Qui, fabbrichiamo micro/nano strutture polimeriche 3D in cui sia la forma che l'allineamento molecolare possono essere ingegnerizzati con precisione su scala nanometrica mediante l'uso della scrittura laser diretta. La deformazione indotta dalla luce di diversi tipi di microstrutture di elastomeri cristallini liquidi può essere controllata su scala microscopica.
L'obiettivo generale di questa procedura di scrittura laser in due fasi è quello di ottenere strutture di azionamento della luce di dimensioni micrometriche basate su elastomeri. Il metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo della microbiotica e della microfluidica. Come ad esempio come creare un'unica microstruttura con un movimento complesso.
Il vantaggio principale di questa tecnica è che l'orientamento molecolare può essere modellato manualmente su microscala. In questo modo, la forma specifica di azionamento può essere controllata in apertura. Alcuni di questi metodi possono fornire microbiotici interni, ma possono anche essere applicati a diversi sistemi come la sintonizzazione di dispositivi fotonici o materiali sensibili a diversi stimoli.
A dimostrare parte della procedura sarà Daniele Martella, un post doc del mio laboratorio. Per iniziare, pulire un vetrino di 3 cm di diametro con acetone e panno per lenti. Quindi, utilizzando una pinza o una pinzetta, posizionare alcune microsfere di vetro sul vetrino a circa mezzo centimetro dal punto centrale.
Questi funzionano come distanziatori. Posizionare un vetrino da microscopio di 1 cm di diametro sui distanziatori e premerlo delicatamente in posizione. Quindi aggiungere circa due microlitri di colla a polimerizzazione UV nello spazio tra i vetrini nei tre diversi punti in cui si trovano i distanziatori.
Prima che la colla penetri troppo nella fessura, usa la luce UV per indurire la colla. Questo forma la cellula per l'esperimento. Ora lungo il bordo della cella, far cadere circa 10 microlitri di resina IPL.
Attendere qualche minuto fino a quando il liquido non si è infiltrato in tutta l'area della cella. Quindi, utilizzando la colla per gomma Fixo, fissare la cella sul supporto del campione. Posiziona l'assemblaggio nel sistema di scrittura laser diretta e, utilizzando un obiettivo 100X, trova l'interfaccia sulla superficie interna superiore.
Quindi effettuare una correzione dell'inclinazione, poiché la diapositiva non è perfettamente orizzontale. Ora scrivi le strutture dei modelli di classificazione IPL progettati utilizzando 6 milliwatt di potenza laser a 60 micron al secondo. I modelli di scarpata sono realizzati con curve o linee rette.
Quindi trova l'interfaccia e inclina correttamente sulla superficie interna inferiore. Scrivi anche lì il modello. Ora trasferisci la cellula in un bagno di isopropanolo per 12-24 ore.
Non aprire ancora la cella. Il giorno successivo, asciugare la cella su una piastra riscaldante a 50 gradi Celsius per 10-20 minuti. Inizia questa procedura misurando circa 300 mg di miscela di monomeri.
Caricare il composto in una bottiglia di vetro e metterlo su una piastra riscaldante impostata tra i 70 e gli 80 gradi Celsius per sciogliere la polvere. Una volta sciolto mescolate per un'ora, tra i 90 e i 150 giri/min. Una volta che il composto è omogeneo, posizionare la cella preparata sulla piastra a 60 gradi Celsius e far cadere 20 microlitri di composto lungo il bordo del vetrino più piccolo.
Lascia che il liquido si muova nella cella. Quindi schermare il vetrino dalla luce e trasferirlo al microscopio con un polarizzatore incrociato e un termoregolatore. Prima di illuminare la cella, applicare un filtro arancione alla lampada per filtrare i raggi UV. Quindi, utilizzando la fase riscaldata, riscaldare la cella a oltre 60 gradi Celsius.
Ora diminuire la temperatura a una velocità compresa tra due e 10 gradi Celsius al minuto per misurare l'intervallo di temperatura per la fase a cristalli liquidi. Osservare il campione con l'inversione del contrasto dell'immagine, ruotandolo di 45 gradi rispetto all'asse del polarizzatore. Infine, si dovrebbe notare una buona fase omogenea dei cristalli liquidi nematici.
Quindi fissare la cella su un portacampioni per il sistema DLW. Caricare il campione e impostare la temperatura per arrivare alla fase a cristalli liquidi. Quindi trova l'interfaccia della superficie interna inferiore ed esegui la correzione dell'inclinazione utilizzando un obiettivo 100X.
Quindi scrivi le strutture LCE con la potenza laser di quattro milliwatt e a 60 micron al secondo. Se è in uso un obiettivo 10X, regolare il laser a 14 milliwatt e non preoccuparsi di trovare l'interfaccia. In questo caso, la struttura viene fabbricata per l'intero spessore del campione.
Quindi scaricare la cella e utilizzare una lama per rimuovere la slitta di vetro superiore. Con il vetrino superiore rimosso, immergere le strutture in un bagno di toluene per cinque minuti e poi asciugarle all'aria per 10 minuti. Per caratterizzare le microstrutture LCE, posizionare il campione nel microscopio fatto in casa e focalizzare un laser sulle strutture utilizzando un obiettivo 10X.
Ora, utilizzando una fotocamera CMOS, osservare la deformazione indotta dalla luce. Utilizzando il controllo manuale del sistema di micromanipolazione, posizionare le micropunte di vetro che si trovano sui bracci del manipolatore vicino alle microstrutture LCE. Ora accendi il laser a bassa potenza, circa 20 milliwatt per aumentare la temperatura dell'LCE e quindi ammorbidire la struttura.
Quindi utilizzare le punte di vetro per raccogliere una microstruttura LCE e tenerla in aria. Questo processo è necessario per evitare l'adesione dalla superficie del vetro. Successivamente, aumentare la potenza del laser oltre i 100 milliwatt.
Quindi registrare la deformazione indotta dalla luce della struttura LCE per l'analisi. Quattro strutture cilindriche LCE, di 60 micron di diametro e 20 micron di altezza, sono state fabbricate su quattro regioni di classificazione IPL diversamente orientate con un periodo di un micron. Sotto eccitazione leggera, i coloranti nell'LCE assorbivano energia e la trasferivano nella rete.
Le strutture sono passate dalla fase nematica a quella isotropa, contraendosi lungo il direttore di allineamento LC originale ed espandendosi in direzione perpendicolare. Questa tecnica consente la creazione di attuatori composti che contengono più di un tipo di allineamento in un'unica struttura. Ad esempio, una striscia LCE di 400 x 40 x 20 micron è stata fabbricata con due sezioni di modelli di allineamento che contenevano una torsione di 90 gradi.
Sotto l'illuminazione leggera, la superficie con allineamento parallelo si contraeva, mentre quella con allineamento perpendicolare si espandeva. In questo modo la struttura viene piegata in due direzioni diverse. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come allineare gli elastomeri a cristalli liquidi utilizzando una configurazione di scrittura laser diretta e di come far muovere i micro-attuatori usando la luce.
Panoramica
Questo studio presenta una procedura di scrittura laser in due fasi per fabbricare strutture micrometriche a base di elastomero che rispondono alla luce. Il metodo consente un controllo preciso dell'orientamento molecolare e dell'attuazione in microstrutture, applicabile in diversi campi tra cui la microbotica e la microfluidica.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Neuroscienze
- Microfluidica
- Scienza dei materiali
Sfondo
- La scrittura laser diretta consente l'ingegnerizzazione di strutture micro/nanometriche.
- Gli elastomeri a cristalli liquidi possono essere manipolati a scala microscopica.
- Comprendere i movimenti complessi nelle microstrutture è fondamentale per numerose applicazioni.
- La tecnica può essere utilizzata anche nei dispositivi fotonici.
Scopo dello studio
- Creare microstrutture con capacità di movimento complesse.
- Definire manualmente l'orientamento molecolare negli elastomeri.
- Esplorare applicazioni in microrobotica e materiali reattivi.
Metodi Utilizzati
- Preparazione di una cellula utilizzando vetrini e colla polimerizzabile con luce UV.
- Scrittura diretta con laser per creare modelli di reticolo IPL progettati.
- Caratterizzazione delle microstrutture in LCE mediante un microscopio autocostruito.
- Osservazione della deformazione indotta dalla luce mediante un laser e una telecamera CMOS.
Risultati principali
- Sono state fabbricate con successo quattro strutture cilindriche LCE.
- Le strutture hanno mostrato una deformazione indotta dalla luce, passando dalla fase nematica a quella isotropa.
- Sono stati creati attuatori composti con più pattern di allineamento.
- È stata dimostrata una flessione in due direzioni diverse sotto illuminazione luminosa.
Conclusioni
- Lo studio illustra con successo l'allineamento degli elastomeri cristallini liquidi.
- La scrittura laser diretta è un metodo efficace per creare micro-attuatori.
- L'attuazione luminosa può essere controllata con precisione attraverso l'allineamento molecolare.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
Questo metodo consente un controllo preciso dell'allineamento molecolare negli elastomeri cristallini liquidi a scala microscopica, facilitando la progettazione di micro-attuatori azionati dalla luce con deformazioni programmabili. Integrando la scrittura diretta con laser sia per la fabbricazione strutturale che per la definizione dei modelli di allineamento, questo approccio risolve una sfida fondamentale nella realizzazione di sistemi complessi a scala micrometrica e multifunzionali. L'approccio offre un valore predittivo per la scoperta nelle fasi iniziali nel campo della robotica bio-ispirata, della fotonica accordabile e delle piattaforme di tipo "laboratorio su chip", in cui il comportamento responsivo a stimoli è cruciale.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Permette l'analisi delle relazioni struttura-funzione nei materiali sensibili a stimoli, separando il design geometrico dal controllo dell'allineamento molecolare.
- Valore operativo: Consente la verifica di ipotesi sugli effetti dell'allineamento dei cristalli liquidi sulla dinamica dell'attuazione, senza richiedere la sintesi di nuove chimiche.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Fornisce una piattaforma per lo screening di librerie di modelli di allineamento al fine di ottenere uscite optomeccaniche desiderate sotto stimolazione luminosa standardizzata.
- Valore operativo: Facilita la fabbricazione riproducibile di micro-attuatori con metriche di deformazione quantificabili, pronti per saggi.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Consente test pertinenti alle malattie delle prestazioni dei micro-attuatori in ambienti microfluidici che mimano flussi fisiologici o condizioni di confinamento.
- Valore operativo: Supporta cicli iterativi di progettazione e verifica per ottimizzare la velocità di attuazione, la direzionalità e la forza generata nei micro-sistemi simili a prototipi.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo collega la progettazione iniziale del materiale e la validazione funzionale, posizionandosi tra la progettazione molecolare e lo screening fenotipico nel percorso di scoperta per lo sviluppo di micro-attuatori.
- Biologia della scoperta: Supporta la riduzione del rischio meccanicistico isolando l'impatto dell'allineamento del cristallo liquido sulla variazione di forma indotta dalla luce come variabile indipendente.
- Screening: Permette la generazione di matrici standardizzate di micro-attuatori con profili di attuazione definiti per lo screening di composti o stimoli.
- Analisi: Fornisce letture quantitative e risolte nel tempo delle deformazioni mediante imaging attivato da laser per confrontare diverse condizioni di allineamento.
- Ricerca traslazionale: Collega la programmazione molecolare all'output funzionale in sistemi su scala micrometrica, sostenendo la continuità dalla progettazione del materiale al comportamento simile a un dispositivo.
- Riutilizzo aziendale: Stabilisce una piattaforma adattabile per generare diverse modalità di attuazione a partire da un singolo materiale di base, attraverso la sola definizione di schemi di patterning.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Riduce l'ambiguità nell'attribuire il comportamento di attuazione all'allineamento molecolare rispetto ai fattori geometrici.
- Valore operativo: Permette la standardizzazione della produzione di micro-attuatori attraverso passaggi di scrittura separati per struttura e allineamento.
- Valore strategico: Migliora le decisioni di avanzamento o interruzione nei programmi di micro-robotica o fotonica fornendo profili di attuazione prevedibili e regolabili.
- Impatto sul portafoglio: Sostiene investimenti adeguati al rischio in piattaforme di materiali sensibili a stimoli, aumentando la fiducia predittiva sulle prestazioni a scala microscopica.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze nel comportamento delle fasi dei cristalli liquidi, nella fisica dei polimeri e negli strumenti di scrittura laser diretta.
- È subordinato all'accesso a sistemi di scrittura laser diretta (DLW) con controllo preciso della potenza e della velocità per la scrittura in più passaggi.
- Necessita di un controllo ambientale (temperatura, polarizzazione) per la caratterizzazione delle fasi dei cristalli liquidi e per i test di attuazione.
- Comporta un'ottimizzazione specifica per i materiali riguardo alle miscele di monomeri, alla polimerizzazione UV e alle fasi di post-elaborazione.
- È limitato dalla necessità di fasi di lavaggio con solvente e di essiccazione successive alla fabbricazione, che potrebbero alterare microstrutture delicate.
