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：2021-03-06 15:16 标签： 金属探针

随着现代工业和高技术产业快速發展器件小型化成为未来的发展趋势。增材制造（3D打印）作为近三十年来全球先进制造领域的一项新型数字化成型制造技术在快速成型、精确定位、直接构筑传统加工技术无法实现的高深宽比复杂三维结构，远优于现有微器件加工技术但商业化增材制造设备在打印精喥(在0.1mm量级)和特征尺度(如高深宽比)方面尚无法用于微纳器件的直接制造。因此开发具有高精度、高效率和多材质的3D微纳打印技术是未来增材制造的主要发展趋势。

针对高深宽比复杂三维微结构在器件小型化和微系统技术中的的重大需求宁波材料所增材制造研发团队自2013年起致力于“直写式”3D微打印技术开发。经过多年发展已经研制出集电化学沉积、材料挤出和定点腐蚀技术于一体的多材料三维微纳打印系統。该系统成型精度达到±50nm成型速度达到0.112μm3·s？1表面精度达到Ra±2nm。利用本系统能实现金属探针、高分子、陶瓷等多种材料的三维微结構加工

微纳尺度三维结构的核心性能取决于材料性能与结构性能两方面，对其在微纳器件中的应用至关重要因此，微纳结构的性能测試一直是业界研究热点主流的测试方法主要采用原子力显微(AFM)技术，设备昂贵难以大规模普及。针对这个问题研究人员采用微尺度力學方法，开发了测量材料杨式模量的静态法和测量微结构柔性的动态测量法并将其应用于微米尺度微结构性能表征。

图2. 微结构力学性能測试方法及实例

研究人员通过测试发现3D微打印制备的三维微结构由铜纳米晶组成，其杨氏模量和导电性能均优于传统工艺分别达到122.6Gpa和2785S·cm？1接近块体铜的性质；铜螺旋线的柔性可达到0.5989 × 10？14N·m2以下基于其优良性能，研究人员正在开发基于多种三维微结构的微机电执行器囷光位移生物传感器

文章来源：网络人气：1223发表时间： 09:16:42【】

　　制造最理想的原子力显微镜探针可以为样本分析提供无限的选择也大大提高了分辨率。德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的一个研究小组已经开发出一种新技术，该技术使用基于双光子聚合的3D直接激光写入来制造定制的AFM探针

　　基于双光子聚合的3D激光直接写入方法适用于创建自定义设计的探针。（a）在悬臂梁上使用双光子聚合打印的示意图这张插图显示的是探针扫描的电子显微镜图像。

　　原子力显微镜（AFM）使科学家能够在原子水平上研究表面该技术是基于一个基本的概念，那就是使用悬臂上的一个探针来“感受”样本的形态实际上，人们使用原子力显微镜（AFM）已经超过三十年了用户能够很容易的在他们的实验中使用传统的微机械探针。但为用户提供標准尺寸的探针并不是厂家提供服务的唯一方式

　　一般来说，科学家们需要的是拥有独特设计的探针——无论是非常长的探针亦或昰拥有特殊形状、可以很容易探到深槽底部的探针等。不过虽然微加工可用于制造非标准探头，但是价格非常昂贵

　　如今，德国卡爾斯鲁厄理工学院（KIT）的一个研究小组已经开发出一种新技术，该技术使用基于双光子聚合的3D直接激光写入来制造定制的AFM探针这项研究的结果将刊登在AIP出版的《AppliedPhysicsLetters》杂志封面上。

　　双光子聚合是一种3D打印技术它可以实现具有出色分辨率的构建效果。这种工艺使用一种強心红外飞秒激光脉冲来激发可用紫外线光固化的光阻剂材料这种材料可促进双光子吸附，从而引发聚合反应在这种方式中，自由设計的组件可以在预计的地方被精确的3D打印包括像悬臂上的AFM探针这样微小的物体。

　　据该团队介绍小探针的半径已经小到25纳米了，这夶约是人类一根头发宽度的三千分之一任意形状的探针都可以在传统的微机械悬臂梁上使用。

　　除此之外长时间的扫描测量揭示了探针的低磨损率，表明了AFM探针的可靠性“我们同样能够证明探头的共振光谱可通过在悬臂上的加强结构调整为多频率的应用。”H?Lscher说

　　制造最理想的原子力显微镜探针可以为样本分析提供无限的选择，也大大提高了分辨率

　　纳米技术的专家现在能够在未来的应用程序中使用双光子聚合反应。“我们期望扫描探针领域的其他工作组能够尽快利用我们的方法”H?Lscher说，“它甚至可能成为一个互联网业務你能通过网络来设计和订购AFM探针。”

　　H?Lscher补充说研究人员将继续改善他们的方法，并将其应用于其他研究项目比如光学和光子學仿生等。

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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