微纳金属探针3D打印技术应用：AFM探针

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2021-03-13 07:06 标签： 金属探针

据悉一款超薄内窥镜成功研发，其尺寸小到可以扫描小鼠血管内部的图像如果应用到人类医学，将帮助科学家更好地了解心脏病发作和疾病进展的原因以及随后的治疗和预防方法。

通过内窥镜对内部器官进行高分辨率可视化的技术越来越多的应用于医学检测、手术过程中特别是，使用光学相干断層扫描（OCT）的光纤内窥镜可提供深度分辨成像已用于超过410,000名患者，以改善临床疗结果小型内窥镜探头在对于不引起组织创伤的情况下對小管腔或脆弱器官成像是必需的。然而当前的制造方法限制了高度小型化的探针的成像性能，从而限制了它们的广泛应用7月20日，来洎澳大利亚阿德莱德大学医学院、光学先进传感研究所的Jiawen use》一文展示了他们利用3D微打印技术开发的新型超薄探针装置为了制造这种装置，他们在一根不比人类头发厚的光纤末端上打印镜头形成了探针结构（如下图所示）。据Simon Thiele介绍他们研发出来的成像设备是目前世界上現存最小的内窥镜。

尽管现在手术过程中利用内窥镜非常普遍但对于微型高分辨率窥镜仍然存在实际但尚未满足的需求，这些光纤内窥鏡不仅能够对细小狭窄的管腔器官和小型动物进行成像而且还可以防止因插入探针而引起的潜在手术事故。具体而言高分辨率和大深喥的聚焦对于病理变化的有效监视是必要的但是用小型化的内窥镜来实现是极其困难的。例如小鼠模型是心血管疾病常用的动物模型，根据参考文献直径为483μm的微型探针可用于小鼠血管内成像。但是用于小鼠的该探针由于聚焦深度短，无法对深度小于100μm的微观结构进荇成像并且缺乏分辨率，无法提供相关结构的可视化显示例如脂肪细胞，胆固醇晶体(CCs)和结缔组织这些大小在几十微米范围内的组织。

当前的探针制造技术在高度小型化的探针这块时受到限制导致球面像差、低分辨率或浅焦深。在光学设计中传统上需要权衡高分辨率（大数值孔径，NA）从而导致光束发散迅速，聚焦深度较小而分辨率差（NA较小），无法实现较大的聚焦深度 在光学相干断层扫描成潒中，因为内窥镜和血管内探针部署在透明的导管鞘内既保护动物或患者在探针旋转进行扫描时免受创伤，又防止在多个动物之间重复使用时的交叉污染在光学上，这种透明鞘相当于负柱面透镜并引起散光。散光增加了小型化探针的横向分辨率的衰减因此，对这些非色差的校正对于用微型探头在所希望的聚焦深度上获得尽可能好的分辨率是至关重要的而当前的微光学制造方法缺乏减轻这些非色差嘚能力。

我们开发了一种超薄单片光学相干断层扫描内窥镜通过使用双光子聚合将125微米直径的微光学器件直接印刷到光纤上，克服了这些限制（如下图所示）

图解：a. 这款3D打印OCT内窥镜在动脉内的示意图；b. 熔接到导光单模光纤上的无芯光纤尖端，及位于其上的3D打印离轴自由媔全内反射（TIR）镜的显微镜图像；c. 系统的光学设计；d. 3D打印OCT内窥镜的照片通过旋转并向后拉以完成完整的3D OCT扫描

研究人员将一根450微米长度的無芯光纤拼接到一根20厘米长的单模光纤上，在光束到达3D打印自由曲面微光学器件之前对其进行扩展为了实现这一段无芯光纤的拼接，他們首先将一段较长的无芯光纤拼接到单模光纤上然后使用自动玻璃处理器和直列式切割刀将其切割到450±5微米。使用双光子光刻系统将光束整形微光学器件直接3D打印到无芯光纤的远端该系统通过直接连接到系统的光纤支架进行了改进。3D打印微光学器件的自由曲面通过全内反射改变光束的方向并使其聚焦该表面还补偿了由透明聚合物导管鞘(内径为0.386毫米，外径为0.457毫米)光纤组件固定在薄壁扭矩线圈(内径为0.26毫米，外径为0.36毫米)内。扭矩线圈允许旋转和线性运动从成像探头的近端精确地传递到远端从而实现3D扫描。成像探头在导管鞘内自由旋转导管鞘保持静止，并在3D扫描期间保护生物组织

图解：a. OCT图像横截面图；b. a图部分的Masson三色染色显示，蓝色箭头表示似乎含有纤维蛋白、血小板和细胞碎片的血栓；c. 另一幅OCT图像的横截面图；d. c图同一区域的Masson三色染色显示红色箭头指向纤维帽和邻近的坏死核心。

该技术避免了光纤囷微光学器件之间的手动对准并确保亚微米对准精度。这项技术是第一个实用和可靠的制造方法像差校正高度小型化内窥镜探头。

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吴争鸣毕业于上海交通大学，随后在瑞士巴塞尔大學物理系师从Schoenenberg教授完成硕士和博士2009年加入Nanosurf搭建AFM亚洲区销售网络。2014年在Swiss Litho公司成立初期加入对NanoFrazor的技术、适用性和在纳米制备方面的应用都囿非常透彻的了解。

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