研究人员设计出监控双光子光刻纳米制造的算法
发布时间：2023-08-04 08:00:00 阅读数： 87
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一项新的研究表明，一种监测双光子光刻纳米级制造的新方法有助于提高制造三维工程组织支架的准确性和效率。组织支架模仿了人体内的天然细胞外基质，从而创造了一个非常适合组织形成的三维环境。
布朗大学基马尼-图桑（Kimani Toussaint）实验室的工程学博士生孙洁月将在光学成像大会（Optica Imaging Congress）上介绍这项研究。该混合会议将于 2023 年 8 月 14 日至 17 日在波士顿举行。
"组织支架是一种三维结构，可以支持细胞或组织的生长和发育，用于组织工程、再生医学和药物测试等生物医学应用。在微观层面上，不同的支架几何形状会导致细胞行为的不同。"以精确控制的方式研究这些几何线索是我们的兴趣所在。
双光子光刻技术利用被称为双光子吸收的非线性现象来制造三维结构，其特征尺寸小于衍射极限。这种制造方法非常适合直接写入三维生物医学支架，因为它可以用来根据计算机辅助设计（CAD）模型创建高分辨率、定义明确的复杂三维微结构。然而，评估用双光子光刻技术制造的结构的精度通常需要昂贵且难以实施的显微镜方法。
在这项新工作中，研究人员展示了一种新的原位监测方法，该方法使用自适应背景减法对双光子光刻制造进行实时逐层监控。它不需要对光学系统进行任何改动，在大多数双光子光刻系统中实施起来也相对简单。
新方法使用一种监控和过程控制算法，增强了明场显微镜在轴向的光学切片能力。它的工作原理是在每一层开始制造之前获取背景图像，然后从自适应背景中减去前景图像。这样就可以消除先前印刷层的光学贡献，从而揭示单层信息。
研究人员通过制造一组具有随机取向的合成纤维来演示这种监测方法，这种结构类似于任意组织支架。三维模型由 44 个截面组成，轴向步长为 1 厘米。经过图像处理和交叉相关计算后，该算法被用来确定一个质量参数（q），该参数表示制作过程的保真度。如果 q 值低于某个阈值，就会生成错误信息。
"通过优化工艺参数，我们以较高的几何保真度再现了输入的支架模型，同时还揭示了结构的内部特征。实验表明，新的监测和过程控制方法提高了利用双光子光刻技术进行纳米制造的质量和效率。这项工作为高保真合成结构组织支架铺平了道路。
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