自由形式のライトアクチュエータ - 顕微鏡スケールでの作製と作動の制御
2016年5月25日
ここでは、直接レーザー描画を使用して、形状と分子の配列の両方をナノメートルスケールの精度で操作できる3D高分子マイクロ/ナノ構造を作製します。数種類の液晶エラストマーの微細構造の光誘起変形を顕微鏡スケールで制御することができます。
この2ステップのレーザー書き込み手順の全体的な目標は、エラストマーベースのマイクロメートルサイズの光作動構造を得ることです。この方法は、マイクロバイオティクスとマイクロ流体工学の分野における重要な質問に答えるのに役立ちます。複雑な動きで単一の微細構造を作成する方法など。
この手法の主な利点は、分子配向をマイクロスケールで手動でパターン化できることです。したがって、作動の特定の形態を絞り制御することができる。これらの方法の中には、内部微生物を提供できるものもありますが、フォトニックデバイスやさまざまな刺激に反応する材料のチューニングなど、さまざまなシステムにも適用できます。
手順の一部をデモンストレーションするのは、私の研究室のポスドクであるDaniele Martellaです。まず、直径3cmのガラスカバースライドにアセトンとレンズティッシュを入れて清掃します。次に、鉗子またはピンセットを使用して、中心点から約半センチメートルのスライドにガラスの微小球を置きます。
これらはスペーサーとして機能します。直径1cmの顕微鏡スライドをスペーサーに置き、所定の位置にそっと押し込みます。次に、スペーサーが配置されている3つの異なるポイントでスライド間の隙間に約2マイクロリットルのUV硬化接着剤を追加します。
接着剤が隙間まで浸透する前に、UV光を使用して接着剤を硬化させます。これにより、実験用の細胞が形成されます。次に、セルの端に沿って、約10マイクロリットルのIPL樹脂を滴下します。
液体が細胞の全領域に浸透するまで数分待ちます。次に、Fixoガム接着剤を使用して、セルをサンプルホルダーに固定します。アセンブリをダイレクトレーザーライティングシステムに配置し、100X対物レンズを使用して、上部内面のインターフェースを見つけます。
次に、スライドが完全に水平ではないため、傾きを修正します。次に、毎秒60ミクロンで6ミリワットのレーザー出力を使用して、設計されたIPLグレーディングパターンの構造を記述します。グレーディングパターンは、曲線または直線で作成されます。
次に、インターフェースを見つけて、下部の内面に正しく傾けます。そこにもパターンを書き込みます。次に、細胞をイソプロパノール浴に12〜24時間移します。
まだセルを開かないでください。翌日、50°Cのホットプレートでセルを10〜20分間乾燥させます。この手順は、約300mgのモノマー混合物を測定することから始めます。
混合物をガラス瓶に入れ、摂氏70度から80度にセットしたホットプレートに乗せて粉末を溶かします。溶かしたら、90〜150RPMで1時間攪拌します。混合物が均一になったら、準備したセルを摂氏60度のホットプレートに置き、小さいスライドガラスの端に沿って20マイクロリットルの混合物を滴下します。
液体をセルに移動します。次に、スライドを光から遮蔽し、交差偏光子と温度コントローラーを使用して顕微鏡に転写します。セルを照らす前に、ランプにオレンジ色のフィルターを取り付けてUVをフィルタリングします。次に、加熱されたステージを使用して、セルを摂氏60度以上に加熱します。
次に、毎分2〜10°Cの速度で温度を下げて、液晶相の温度範囲を測定します。偏光子軸に対して45度回転させながら、画像コントラスト反転でサンプルを観察します。最終的には、良好な均質なネマチック液晶相に注意する必要があります。
次に、セルをDLWシステムのサンプルホルダーに固定します。サンプルをロードし、液晶相に到達するように温度を設定します。次に、下部内面のインターフェースを見つけ、100倍対物レンズを使用して傾き補正を実行します。
次に、4ミリワットのレーザー出力で毎秒60ミクロンでLCE構造を書き込みます。10倍の対物レンズを使用している場合は、レーザーを14ミリワットに調整し、インターフェースを見つけるのに心配する必要はありません。この場合、構造はサンプルの全厚さまで作製されます。
次に、セルをアンロードし、ブレードを使用して上部のスライドガラスを取り外します。上部のスライドを取り外した状態で、構造物をトルエンバスに5分間浸し、10分間自然乾燥させます。LCEの微細構造を特徴付けるには、サンプルを自家製の顕微鏡に置き、10倍対物レンズを使用して構造にレーザーを集束させます。
次に、CMOSカメラを使用して、光による変形を観察します。マイクロマニピュレーションシステムの手動制御を使用して、マニピュレータアームにあるガラスマイクロチップをLCEマイクロストラクチャーの近くに置きます。次に、レーザーを約20ミリワットの低電力に切り替えて、LCEの温度を上げ、構造を柔らかくします。
次に、ガラスチップを使用して1つのLCE微細構造をピックアップし、空中に保持します。このプロセスは、ガラス表面からの付着を避けるために必要です。次に、レーザー出力を100ミリワット以上に増やします。
次に、LCE構造の光誘起変形を解析用に記録します。直径60ミクロン、高さ20ミクロンの4つのLCE円筒形構造が、1ミクロン周期の4つの異なる方向のIPLグレーディング領域で製造されました。光励起下では、LCE中の色素がエネルギーを吸収し、それをネットワークに伝達しました。
構造はネマチック相から等方性相に移行し、元のLCアライメントディレクターに沿って収縮し、垂直方向に拡大しました。この技術により、1つの構造に複数のタイプのアライメントを含む複合アクチュエータを作成できます。たとえば、400 x 40 x 20 ミクロンの LCE ストライプは、90 度のねじれを含む 2 つのセクションの位置合わせパターンで製造されました。
光照明下では、平行に整列した面は収縮し、垂直に整列した面は膨張しました。したがって、構造は2つの異なる方向に曲げられます。このビデオを見れば、ダイレクトレーザーライティングセットアップを使用して液晶エラストマーを位置合わせする方法と、光を使用してマイクロアクチュエータを動かす方法についてよく理解できるはずです。
概要
本研究では、エラストマーベースのマイクロメートルサイズの光駆動構造体を作製するための2段階レーザー書き込み手順を提示します。この手法により、微細構造における分子配向と駆動の精密な制御が可能となり、マイクロバイオティクスやマイクロ流体などの様々な分野への応用が期待されます。
研究の主要構成要素
科学分野
- 神経科学
- マイクロフルイディクス
- 材料科学
背景
- 直接レーザー書き込みにより、マイクロ/ナノ構造の作製が可能になります。
- 液晶エラストマーは、微視的なスケールで制御することができます。
- 微細構造における複雑な動作の理解は、さまざまなアプリケーションにとって極めて重要です。
- この技術は、フォトニックデバイスにも利用可能です。
研究目的
- 複雑な動作能力を持つマイクロ構造を作製すること。
- エラストマーにおける分子配向を手動でパターン化すること。
- マイクロバイオティクスおよび応答性材料への応用を探索すること。
使用された手法
- ガラススライドとUV硬化剤を用いたセルの作製。
- ダイレクトレーザーライティングによる設計されたIPLグレーディングパターンの作製。
- 自作顕微鏡を用いたLCE微細構造の評価。
- レーザーとCMOSカメラを用いた光誘導変形の観察。
主な結果
- 4つのLCE円筒構造体の作製に成功した。
- ネマチック相からアイソトロピック相への転移による、光誘起変形が確認された。
- 複数の配向パターンを持つ複合アクチュエータを作製した。
- 光照射下で2つの異なる方向への曲げ動作を実演した。
結論
- 本研究では、液晶エラストマーの配向を実証することに成功した。
- ダイレクトレーザーライティングは、マイクロアクチュエータを作製するための有効な手法である。
- 光駆動は、分子配向を通じて精密に制御することができる。
よくある質問
産業界における重要性
本手法により、液晶エラストマーにおける分子配向を微視的スケールで精密に制御することが可能となり、プログラム可能な変形能を持つ光駆動マイクロアクチュエータの設計が支援されます。構造作製と配向パターニングの両方にダイレクトレーザーライティングを統合することで、複雑で多機能なマイクロスケールシステムの構築における主要な課題を解決しています。このアプローチは、刺激応答挙動が極めて重要となるバイオインスパイアードロボティクス、可変フォトニクス、およびラボオンチッププラットフォームの初期段階の研究開発において予測的な価値を提供します。
バイオ医薬品研究開発における戦略的応用
初期創薬およびターゲットバリデーション
- 科学的価値：幾何学的設計と分子配向制御を切り離すことで、刺激応答性材料における構造と機能の関係性の解析を可能にする。
- 実用的な価値：新しい化学合成を必要とせずに、液晶（LC）配向がアクチュエーションダイナミクスに及ぼす影響についての仮説検証を支援する。
スクリーニングおよびアッセイ開発
- 科学的価値：標準化された光刺激条件下で、目的の光機械的出力を得るための配向パターンライブラリをスクリーニングするプラットフォームを提供します。
- 運用的価値：アッセイへの適用が可能な、定量的な変形指標を持つマイクロアクチュエータの再現性のある作製を容易にします。
トランスレーショナル・前臨床研究
- 科学的価値：生理学的な流れや閉じ込め状態を模倣したマイクロ流体環境において、疾患に関連するマイクロアクチュエータの性能試験を可能にします。
- 運用上の価値：リード状のマイクロシステムにおける作動速度、方向性、および出力の最適化に向けた、反復的な設計・試験サイクルの運用を支援します。
パイプラインおよびワークフローの統合
本手法は、初期の材料設計と機能検証を橋渡しするものであり、マイクロアクチュエータ開発の探索的なプロセスにおいて、分子設計と表現型スクリーニングの中間に位置付けられます。
- 発見生物学：LC配向が光誘起形状変化に与える影響を独立変数として分離することで、メカニズムのリスク低減を支援します。
- スクリーニング：化合物や刺激のスクリーニングに向けて、定義された作動プロファイルを持つ標準化されたマイクロアクチュエータアレイの作製を可能にします。
- 分析：レーザー誘起イメージングによる定量的かつ時間分解能の高い変形読み取りを実現し、配向条件の比較を可能にします。
- トランスレーショナルリサーチ：マイクロスケールのシステムにおいて、分子プログラミングと機能的出力を結びつけ、材料設計からデバイスのような挙動までの連続性を支援します。
- エンタープライズ再利用：パターニングのみによって、単一のベース材料から多様な作動モードを生成できる適応可能なプラットフォームを確立します。
運用および企業への影響
- 科学的価値：駆動挙動が分子配向によるものか、あるいは幾何学的要因によるものかという帰属における曖昧さを軽減する。
- 運用的価値：構造形成と配向形成の書き込み工程を分離することで、マイクロアクチュエータ製造の標準化を可能にする。
- 戦略的価値：予測可能で調整可能な駆動プロファイルを提供することで、マイクロロボティクスやフォトニクスプログラムにおけるGO/NO-GO判定の精度を向上させる。
- ポートフォリオへの影響：マイクロスケールでの性能に対する予測信頼性を高めることで、刺激応答性材料プラットフォームへのリスク調整後投資を支援する。
実施上の検討事項
- 液晶の相挙動、高分子物理学、および直接レーザー描画装置に関する専門知識が必要です。
- 多段階描画のための精密な出力および速度制御が可能なDLWシステムの利用が前提となります。
- 液晶相の特性評価および駆動テストのためには、環境制御（温度、偏光）が必要です。
- モノマー混合物、UV硬化、および後処理工程において、材料固有の最適化が必要です。
- 作製後の溶媒洗浄および乾燥工程が必要であり、これが繊細な微細構造に影響を及ぼす可能性がある点に制約があります。
