研究者は2つを監視するアルゴリズムを設計

Aug 28, 2023

2023 年 8 月 3 日

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新しい研究によると、2光子リソグラフィーによるナノスケール製造を監視する新しい方法は、3D工学による組織足場の作成の精度と効率の向上に役立つ可能性があるという。 組織足場は体内に見られる天然の細胞外マトリックスを模倣しており、組織形成に理想的な 3D 環境を作り出します。

Jieliyue Sun 氏、工学博士。 ブラウン大学キマニ・トゥーサンの研究室の学生が、Optica Imaging Congress でこの研究を発表します。 ハイブリッド会議は2023年8月14～17日にボストンで開催される。

「組織足場は、組織工学、再生医療、薬物検査などの生物医学用途で細胞や組織の成長と発達をサポートできる三次元構造です。細胞の挙動は、ミクロスケールレベルでの足場の形状が異なると変化します」とサン氏は説明した。 「これらの幾何学的な手がかりを正確に制御された方法で調査することに私たちは興味を持っています。」

2 光子リソグラフィーは、2 光子吸収として知られる非線形現象を利用して、回折限界よりも小さい形状サイズの 3D 構造を生成します。 この製造アプローチは、コンピュータ支援設計 (CAD) モデルに基づいて高解像度で明確に定義された複雑な 3D 微細構造を作成するために使用できるため、3D 生物医学足場を直接作成するのに非常に適しています。 しかし、2 光子リソグラフィーで製造された構造の精度を評価するには、通常、高価で実装が難しい顕微鏡法が必要でした。

新しい研究では、研究者らは、2光子リソグラフィー製造のリアルタイムの層ごとの監視に適応型バックグラウンド減算を使用する、新しい現場監視アプローチを実証します。 光学システムを変更する必要がなく、ほとんどの 2 光子リソグラフィー システムでの実装が比較的簡単です。

新しいアプローチでは、軸方向の明視野顕微鏡の光学的セクショニング能力を強化するモニタリングおよびプロセス制御アルゴリズムを使用します。 これは、各レイヤーで製造を開始する前に背景画像を取得し、適応背景から前景を差し引くことによって機能します。 これにより、以前に印刷された層からの光学的寄与が除去され、単一層の情報が明らかになります。

研究者らは、ランダムな配向をもつ合成繊維のグループ、つまり任意の組織足場と同様の構造を作製することにより、モニタリング手法を実証した。 3D モデルは、軸方向のステップ サイズが 1 um の 44 個のセクションで構成されています。 画像処理と相互相関計算の後、アルゴリズムを使用して、製造プロセスの忠実度を示す品質パラメータ (q) が決定されました。 q 値が特定のしきい値を下回る場合、エラー メッセージが生成されます。

「最適化されたプロセスパラメータにより、入力足場モデルを高い幾何学的忠実度で再現しながら、アーキテクチャの内部特徴も明らかにしました。実験では、新しいモニタリングおよびプロセス制御方法により、2光子リソグラフィーを使用したナノ製造の品質と効率が向上することが示されました」この研究は、構造化された組織足場の高忠実度合成への道を開くものである」とサン氏は付け加えた。

オプティカ社提供