Forscher entwerfen Algorithmus zur Überwachung von zwei

Aug 28, 2023

3. August 2023

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von Optica

Einer neuen Studie zufolge könnte eine neue Methode zur Überwachung der nanoskaligen Fertigung mit Zwei-Photonen-Lithographie dazu beitragen, die Genauigkeit und Effizienz der Herstellung 3D-technischer Gewebegerüste zu verbessern. Gewebegerüste ahmen die natürlichen extrazellulären Matrizen im Körper nach und schaffen so eine 3D-Umgebung, die sich ideal für die Gewebebildung eignet.

Jieliyue Sun, ein promovierter Ingenieur. Student aus dem Labor von Kimani Toussaint an der Brown University wird diese Forschung auf dem Optica Imaging Congress vorstellen. Das Hybridtreffen findet vom 14. bis 17. August 2023 in Boston statt.

„Gewebegerüste sind dreidimensionale Strukturen, die das Wachstum und die Entwicklung von Zellen oder Geweben für biomedizinische Anwendungen wie Tissue Engineering, regenerative Medizin und Arzneimitteltests unterstützen können. Das Zellverhalten variiert mit unterschiedlichen Gerüstgeometrien auf Mikroebene“, erklärte Sun. „Es ist unser Interesse, diese geometrischen Hinweise auf präzise kontrollierte Weise zu untersuchen.“

Die Zwei-Photonen-Lithographie nutzt das nichtlineare Phänomen, das als Zwei-Photonen-Absorption bekannt ist, um 3D-Strukturen mit Strukturgrößen zu erzeugen, die kleiner als die Beugungsgrenze sind. Dieser Herstellungsansatz eignet sich gut zum direkten Schreiben biomedizinischer 3D-Gerüste, da er zur Erstellung hochauflösender, wohldefinierter komplexer 3D-Mikrostrukturen auf der Grundlage von CAD-Modellen (Computer Aided Design) verwendet werden kann. Die Beurteilung der Präzision von Strukturen, die mit der Zwei-Photonen-Lithographie hergestellt wurden, erforderte jedoch typischerweise teure und schwierig zu implementierende Mikroskopiemethoden.

In der neuen Arbeit demonstrieren die Forscher einen neuen In-situ-Überwachungsansatz, der adaptive Hintergrundsubtraktion für die schichtweise Echtzeitüberwachung der Zwei-Photonen-Lithographieherstellung nutzt. Es erfordert keine Modifikationen des optischen Systems und ist in den meisten Zwei-Photonen-Lithographiesystemen relativ einfach zu implementieren.

Der neue Ansatz nutzt einen Überwachungs- und Prozesssteuerungsalgorithmus, der die optische Schnittfähigkeit der Hellfeldmikroskopie in axialer Richtung verbessert. Dabei werden vor Beginn der Fertigung auf jeder Ebene Hintergrundbilder erfasst und dann der Vordergrund vom adaptiven Hintergrund abgezogen. Dadurch können die optischen Beiträge der zuvor gedruckten Schichten eliminiert werden, wodurch Einzelschichtinformationen sichtbar werden.

Die Forscher demonstrierten den Überwachungsansatz, indem sie eine Gruppe synthetischer Fasern mit zufälliger Ausrichtung herstellten, eine Struktur, die der eines beliebigen Gewebegerüsts ähnelt. Das 3D-Modell bestand aus 44 Abschnitten mit einer axialen Schrittweite von 1 µm. Nach Bildverarbeitung und Kreuzkorrelationsberechnung wurde mit dem Algorithmus ein Qualitätsparameter (q) ermittelt, der die Genauigkeit des Herstellungsprozesses angibt. Wenn der q-Wert unter einem bestimmten Schwellenwert liegt, wird eine Fehlermeldung generiert.

„Mit optimierten Prozessparametern haben wir das Eingangsgerüstmodell mit hoher geometrischer Genauigkeit reproduziert und gleichzeitig die internen Merkmale der Architektur offengelegt. Das Experiment zeigte, dass die neue Überwachungs- und Prozesssteuerungsmethode die Qualität und Effizienz der Nanofertigung mithilfe der Zwei-Photonen-Lithographie verbesserte.“ „Diese Arbeit ebnet den Weg für eine hochpräzise Synthese strukturierter Gewebegerüste“, fügte Sun hinzu.

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