Gelişmiş In Vivo Görüntüleme için Mikroyapılı Görüntüleme Penceresine Entegre Edilmiş İmplante Edilebilir Optiklerin Mikrofabrikasyonu
April 11th, 2025
Bu protokol, 3D lazer baskı kullanılarak implante edilebilir bir entegre görüntüleme penceresinin imalatını açıklar. Pencere, mikro iskelelerle birleştirilmiş bir mikro mercek sisteminden oluşur. Yöntem, biyouyumlu fotorezist SZ2080'in sürekli bir sırayla iki fotonlu polimerizasyonunu (2PP) içerir ve üretim verimliliğini ve farklı bileşenler arasındaki hizalamayı optimize eder.
Biyouyumlu bir malzemenin 3D lazer baskısı ile üretilen minyatür bir çipin implante edilmesi, gerçek zamanlı görselleştirme yoluyla canlı hayvanlarda biyolojik süreçlerin incelenmesini güçlendireceğiz.
Asıl zorluk, farklı yazma koşullarını göz önünde bulundurarak güç ve hız gibi üretim parametrelerinde ince ayar yapmak ve bu arada aynı alt kümenin her iki yüzeyindeki mikro yapıyı hassasiyet ve tutarlılıkla yapmaktır. Doğru sonuç, çeşitli biyolojik uygulamalar için büyük mikro lensleri doğrudan 3D mikro yapı hedef bölgesine bağlayan yenilikçi, implante edilebilir, optik bir görüntüleme aracı üretmek için çok yönlü bir protokol oluşturmaktır.
Artık üretim protokolü optimize edildiğine göre, çipin görüntüleme yeteneklerinin implantasyonu ve gösterilmesi üzerinde çalışıyoruz. Örneğin, in vivo miyo-malzeme testi için.
[Yapay zeka eğitmeni] Başlamak için, kızılötesi lazer kaynağının yakınındaki femtosaniyeyi açın. Lazer ışınının optik yolunu, kinematik ayna bağlantılarına monte edilmiş bir dizi optik ve ayna aracılığıyla mikroskop objektifine ulaşana kadar hizalayın. Işını yakın kızılötesi hizalama içinde ortalamak için aynaları yinelemeli olarak döndürün. İğne delikleri, lazer ışınını geri yansıma merkezleme kullanarak hizalayarak numune tutucuya dik olarak yönlendirir. Numuneyi numune tutucuya monte etmek için, çift damlalı cam kapak kızağını, bırakılan ikinci damla aşağı bakacak şekilde numune tutucuya sabitlemek için bant kullanın. Ardından numune tutucuyu translasyon aşamalarına monte edin, numune tutucuyu manuel olarak monte edin, ardından uzun çalışma mesafeli mikroskop objektifini optik yolun sonundaki özel desteğe monte edin, numuneye yakın ve numuneyi objektif ile ortalayın. Lazer gücünü, CCD kamera yazılımındaki ışın yansımasını görselleştirmek için yeterli olan minimum değere, yaklaşık beş miliwatt'a ayarlayın. Lazer ışınını ilk direnç damlasının üst yüzeyine odaklayın. x ve y yönleri boyunca örnek kenarlarını bulmak için damlanın kavisli profilini takip edin. Yazılımı kullanarak düşüşün merkezini mutlak sıfır referansı olarak ayarlayın. Lazer ışınını, cam kapak kaymasının üst yüzeyi ile numunenin ortasındaki ilk fotorezist damlasının tabanı arasındaki arayüze odaklayın. Bunu z ekseninde sıfır referans olarak ayarlayın. 12 milimetrelik bir kapak kayması için yaklaşık 3,5 milimetre negatif x ekseni yönündeki kenar konumuna geçin ve aynı arayüze odaklanın. Bunu z yönü boyunca mutlak sıfır referansı olarak ayarlayın. Pozitif x ekseni yönü için yaklaşık 3,5 milimetre boyunca aynısını tekrarlayın ve aynı arayüze odaklanın. Ardından, negatif ve pozitif x eksenleri arasındaki z yönündeki sapmaları düzeltmek için numuneyi eğin. Y ekseni için x ekseni boyunca daha önce gösterildiği gibi aynı prosedürü gerçekleştirin. Hem x hem de y eksenlerinde dengelendikten sonra, merkezi konuma dönün ve cam ile direnç arasındaki arayüze odaklanın. Odağın yeni z değerini, z ekseninde sıfır referans olarak ayarlayın. Polimerizasyon işleminin gerçek zamanlı olarak izlenmesi için kırmızı LED aydınlatma sistemini açın. Lazer kapalıyken, camın alt yüzeyi ile alt direnç damlasının tabanı arasındaki ikinci arayüzü bulmak için objektifi cam kapak kaymasının altındaki z yönü boyunca hareket ettirin. İki foton polimerizasyonunu başlatmak için lazer gücünü 100 miliwatt'a yükseltin. Basit bir referans yapısı polimerize olana kadar z'yi artırarak odak konumunu ayarlayın. Bu ilk odak konumunu z ekseni boyunca sıfır referans olarak ayarlayın. Polimerizasyon güçlerini 100 ila 200 miliwatt arasında ayarlayın ve istenen üç boyutlu yapıyı üretmek için çeviri aşamaları için makine kodunu bir bilgisayar sayısal kontrol programı olarak çalıştırın. Ardından, üst cam yüzey ile fotorezistin üst damlası arasındaki ilk arayüze geri dönmek için z ekseni boyunca hareket edin. Arayüzü bulmak için basit bir referans yapısını polimerize edin. İlk polimerizasyon çizgisini z ekseni boyunca sıfır referans olarak ayarlayın. Polimerizasyon gücünü 15 ila 20 miliwatt arasında ayarlayın ve translasyon aşaması hareketlerine rehberlik eden programı çalıştırın. Lazer kapalıyken, x, y ve z öteleme eksenlerini devre dışı bırakın ve numune tutucuyu deneysel üretim kurulumundan çıkarın. Yapışkan bandı iyileştirin ve numuneyi tutucudan çıkarın. Numune geliştirmeden sonra, cam kapak kızağını zemin düzleminden asılı bir numune tutucuya yerleştirin ve numuneyi mikro lensler aşağı bakacak şekilde yerleştirin. Numuneyi, cam kapak kaymasının yüzeyine göre dik olarak yönlendirilmiş UV kaynağının altına yerleştirin. Numuneyi UV radyasyonuna maruz bırakın. 120 saniye boyunca 300 miliwatt'a ayarlayın. UV kaynağını, numune düzleminin normal konumuna göre artı ve eksi 45 dereceye eğin ve maruz kalma prosedürünü tekrarlayın. Cam numuneyi, SEM kamerasının yönüne göre 45 derecelik bir açıyla tutucuya yerleştirin. Mikro iskelelerin ve mikro lenslerin üç boyutlu SEM görüntülerini toplamak için cam kapak sürgüsünün her iki yüzeyi için alım işlemini tekrarlayın. Sunulan prosedür, aynı cihazın her iki yüzeyinin 3D mikro yapılarının polimerizasyonuna izin vererek mükemmel çözünürlük ve stabilite sağlar. İn vitro görüntüleme, mikro lensler aracılığıyla görüntülenen, önerilen cihazın son uygulamasının bir örneğini temsil eden mikro iskele içindeki hücrelerin başarılı bir şekilde büyüdüğünü gösterdi.
Genel Bakış
Bu protokol, 3D lazer baskı teknolojisini kullanarak implante edilebilir entegre bir görüntüleme penceresinin üretimini ana hatlarıyla belirtir. Yenilikçi tasarım, mikro lensler ve mikro iskeleler içererek, canlı hayvanlarda biyolojik süreçlerin gerçek zamanlı görselleştirilmesini sağlar.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Sinirbilim
- Biyoteknoloji
- Optik Görüntüleme
Arka Plan
- Biyolojik araştırmalarda gerçek zamanlı görüntüleme, dinamik süreçleri anlamak için kritik öneme sahiptir.
- 3D lazer baskı, karmaşık mikro yapıların oluşturulmasında hassasiyet sunar.
- Biyouyumlu malzemeler, implante edilebilir cihazlar için esastır.
- İki-fotonlu polimerizasyon (2PP), mikro yapıların üretiminde önemli bir tekniktir.
Çalışmanın Amacı
- Optik görüntüleme aracı oluşturmak için çok yönlü bir protokol geliştirmek.
- Canlı biyolojik süreçlerin görselleştirilmesini artırmak.
- Gelişmiş verimlilik ve doğruluk için üretim parametrelerini optimize etmek.
Kullanılan Yöntemler
- 2PP için femtosaniye yakın kızılötesi lazerin kullanımı.
- Hassas lazer hedefleme için optik bileşenlerin hizalanması.
- Biyouyumlu fotorezistin kademeli polimerizasyonu.
- LED aydınlatması kullanılarak polimerizasyon sürecinin gerçek zamanlı izlenmesi.
Ana Sonuçlar
- Yüksek çözünürlükte 3D mikro yapıların başarılı bir şekilde üretimi.
- Mikro iskeleler içinde hücre büyümesinin in vitro görüntülemesinin gösterilmesi.
- Optik bileşenlerin entegrasyonu için güvenilir bir protokolün oluşturulması.
- Implante edilebilir cihazın görüntüleme yeteneklerinin doğrulanması.
Sonuçlar
- Geliştirilen görüntüleme penceresi, biyolojik araştırmaları önemli ölçüde ilerletebilir.
- Optimize edilmiş üretim teknikleri, tekrarlanabilirliği ve hassasiyeti sağlar.
- Bu protokol, canlı hayvan çalışmalarında gelecekteki uygulamalar için bir temel oluşturur.
Sıkça Sorulan Sorular
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
