研究人员设计算法来监测双光子光刻纳米级制造

一项新研究表明，一种监测双光子光刻纳米级制造的新方法可以帮助提高创建 3D 工程组织支架的准确性和效率。组织支架模仿体内天然的细胞外基质，创造了一个适合组织形成的 3D 环境。

孙杰利跃，工学博士 布朗大学 Kimani Toussaint 实验室的学生将在 光学成像大会上展示这项研究。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。细胞行为在微观水平上随支架几何形状的不同而变化。”Sun 解释道。“我们感兴趣的是以精确控制的方式研究这些几何线索。”

双光子光刻利用称为双光子吸收的非线性现象来产生特征尺寸小于 衍射极限的3D 结构。这种制造方法非常适合直接编写 3D 生物医学支架，因为它可用于基于计算机辅助设计 (CAD) 模型创建高分辨率、明确定义的复杂 3D 微观结构。然而，评估用双光子光刻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控方法，该方法使用自适应背景减除技术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修改，并且在大多数双光子光刻系统中实现起来相对简单。

新方法使用监控和过程控制算法，增强了明场显微镜在轴向上的光学切片能力。它的工作原理是在每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。这样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方向的合成纤维来演示这种监测方法，这种纤维的结构类似于任意组织支架的结构。3D 模型由 44 个部分组成，轴向步长为 1 微米。经过图像处理和互相关计算后，该算法用于确定表明制造过程保真度的质量参数 (q)。如果 q 值低于某个阈值，则会生成错误消息。

Sun 补充道：“通过优化的工艺参数，我们以高几何保真度重现了输入支架模型，同时也揭示了架构的内部特征。实验表明，新的监测和过程控制方法提高了双光子光刻纳米制造的质量和效率。这项工作为高保真度铺平了道路

结构化组织支架的合成，并得到了国家科学基金会土木、机械和制造创新部的资助。”