In-vivo-writing using two-photon-lithography

Abstract

Zwei-Photonen-Lithographie ist eine Methode zur Herstellung von Strukturen mit Abmessungen im Nano- und Mikrometerbereich, die sich in den letzten Jahren wachsender Beliebtheit erfreut. Für die Erzeugung von biokompatiblen Strukturen scheint sich dieses neue additive Fertigungsverfahren besonders gut zu eignen, da die hergestellten Teile dem Anspruch höchster Fertigungsgenauigkeit entsprechen. Diese Arbeit beschreibt eine Methode zur Herstellung von einfachen Strukturen innerhalb von fotosensitiven Harzen, in denen lebende Organismen eingeschlossen wurden (Rundwurm Caenorhabditis elegans). Der Bauprozess wurde mit einem gepulsten Laser mit einer Lichtwellenlänge im nahen Infrarotbereich (810nm) bewerkstelligt. Die Leistung konnte eingestellt werden und betrug maximal 160mW. Da biologisches Gewebe transparent für rotes und infrarotes Licht ist, verursachten die Laserintensitäten in den Experimenten dieser Arbeit keinen zellulären Schaden am Modellorganismus. Schädliche Umwelteinflüsse waren chemischer Art und durch die Reaktivität des Harzes bedingt. Die Polymerisationszeit musste daher kurz gehalten werden. Mit einem Carl Zeiss Objektiv mit einer 20 fachen Vergrößerung und einer numerischen Apertur von 0.4 wurde ein Würfel mit einer quadratischen Grundfläche von 300x300 µm und einer Höhe von 80 µm hergestellt (siehe Bild). Da relativ hohe Laserintensitäten verwendet werden konnten, wurde die Schreibgeschwindigkeit auf 250 µm/s eingestellt. Eine Herstellungszeit von 12 Minuten war dadurch möglich.<br />Wie die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, überlebte das Versuchstier den Strukturierungsprozess. Da jedoch die Toxizität des Harzes mit der Reaktivität steigt, gibt es immer einen Zielkonflikt zwischen diesen beiden Parametern. Um diese Methode zu verbessern und in Zukunft für Applikationen innerhalb von Organismen anzuwenden, bedarf es wasserbasierter Harze. Aufbauend auf dieser Arbeit kann langfristig eine Möglichkeit zur Strukturierung hochauflösender Bauteile innerhalb lebender Organismen entwickelt werden.<br />

Two-Photon-Lithography is a fast developing application used for the micro- and nanostructuring of three-dimensional parts. The manufacturing of biocompatible structures using this technique is a promising field as it fulfils the demand for high resolution parts. This paper describes the fabrication of scaffolds inside photopolymer based resins with embedded living organisms (Caenorhabditis elegans). The structuring was performed with a pulsed near-infrared laser with a wavelength of 810nm and adjustable power up to 160mW. The intensities applied do not cause damage at the cellular level for the model organism since biological tissue is very transparent to red and infrared light.<br />Since environmental stress is of chemical origin only, the limiting factor is the toxicity of the resin, so the polymerisation time had to be kept short. Using a Carl Zeiss objective with a 20 times magnification and a numerical aperture of 0.4, a high resolution scaffold with a base area of 300x300µm and a height of 80µm could be fabricated (see figure). As considerably high laser intensities were possible, a writing speed set to 250µm/s permitted a short structuring process of 12 minutes, which the animal survived in the resin. As toxicity increases with the reactivity of the resin there is a trade-off between the two parameters in the in vivo writing process. To advance this method, water-based resins have to be developed. This work holds out the prospect of structuring high-resolution scaffolds inside living organisms.