I ricercatori progettano un algoritmo per monitorarne due

Aug 28, 2023

3 agosto 2023

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di Ottica

Secondo un nuovo studio, un nuovo modo per monitorare la fabbricazione su scala nanometrica della litografia a due fotoni potrebbe contribuire a migliorare l’accuratezza e l’efficienza della creazione di scaffold tissutali ingegnerizzati in 3D. Le impalcature tissutali imitano le matrici extracellulari naturali presenti nel corpo, creando un ambiente 3D ideale per la formazione dei tessuti.

Jieliyue Sun, un dottorato di ricerca in ingegneria. uno studente del laboratorio di Kimani Toussaint, Brown University presenterà questa ricerca al Congresso Optica Imaging. L'incontro ibrido si svolgerà dal 14 al 17 agosto 2023 a Boston.

"Le impalcature tissutali sono strutture tridimensionali che possono supportare la crescita e lo sviluppo di cellule o tessuti per applicazioni biomediche come l'ingegneria dei tessuti, la medicina rigenerativa e i test farmaceutici. I comportamenti cellulari variano con le diverse geometrie delle impalcature a livello di microscala", ha spiegato Sun. "È nostro interesse indagare su questi segnali geometrici in modo controllato con precisione."

La litografia a due fotoni utilizza il fenomeno non lineare noto come assorbimento di due fotoni per produrre strutture 3D con dimensioni delle caratteristiche inferiori al limite di diffrazione. Questo approccio di fabbricazione è adatto per la scrittura diretta di scaffold biomedici 3D perché può essere utilizzato per creare microstrutture 3D complesse ad alta risoluzione e ben definite basate su modelli CAD (computer-aided design). Tuttavia, la valutazione della precisione delle strutture fabbricate con la litografia a due fotoni ha generalmente richiesto metodi di microscopia costosi e difficili da implementare.

Nel nuovo lavoro, i ricercatori dimostrano un nuovo approccio di monitoraggio in situ che utilizza la sottrazione adattiva dello sfondo per la supervisione strato per strato in tempo reale della fabbricazione della litografia a due fotoni. Non richiede alcuna modifica del sistema ottico ed è relativamente semplice da implementare nella maggior parte dei sistemi di litografia a due fotoni.

Il nuovo approccio utilizza un algoritmo di monitoraggio e controllo del processo che migliora la capacità di sezionamento ottico della microscopia in campo chiaro nella direzione assiale. Funziona acquisendo immagini di sfondo prima che inizi la fabbricazione su ciascun livello e quindi sottraendo il primo piano dallo sfondo adattivo. Ciò consente di eliminare i contributi ottici degli strati precedentemente stampati, rivelando le informazioni del singolo strato.

I ricercatori hanno dimostrato l’approccio di monitoraggio fabbricando un gruppo di fibre sintetiche con orientamenti casuali, una struttura simile a quella di un’impalcatura tissutale arbitraria. Il modello 3D era composto da 44 sezioni con un gradino assiale di 1 um. Dopo l'elaborazione delle immagini e il calcolo della correlazione incrociata, l'algoritmo è stato utilizzato per determinare un parametro di qualità (q) che indica la fedeltà del processo di fabbricazione. Se il valore q è inferiore a una determinata soglia, viene generato un messaggio di errore.

"Con parametri di processo ottimizzati, abbiamo riprodotto il modello dell'impalcatura di input con un'elevata fedeltà geometrica, rivelando anche le caratteristiche interne dell'architettura. L'esperimento ha dimostrato che il nuovo metodo di monitoraggio e controllo del processo ha migliorato la qualità e l'efficienza della nanoproduzione utilizzando la litografia a due fotoni Questo lavoro apre la strada alla sintesi ad alta fedeltà di scaffold tissutali strutturati", ha aggiunto Sun.

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