CN113238471B - 分叉微管道的快速制备方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种分叉微管道的快速制备方法，包括：操作S100：生成贝塞尔全息图；操作S200：对所述贝塞尔全息图的部分区域进行相位调制生成环缝全息图；以及操作S300：通过能够播放所述环缝全息图的加工光路制备分叉微管道。结合区域相位调制原理和动态全息光拼接技术，与传统的逐点扫描策略相比，加工效率至少可提高30倍，可以实现具有良好密封性和导通性的各类复杂仿生形态分叉微管的制备；例如y形管道、双分叉管道、多分叉管道以及分叉管道网络。
Description
技术领域
本公开涉及微纳制造技术领域，尤其涉及一种分叉微管道的快速制备方法。
背景技术
体外构建血管网络在生物医学领域有着广泛的应用，如疾病建模、三维细胞培养、药物筛选、组织修复和再生等。为了实现高效、复杂、高还原度构建，已经提出了很多策略，包括针模法、软光刻、静电纺丝、挤出3D打印和立体投影光刻等。目前应用最普遍的是挤出3D打印和立体投影光刻，然而所有这些方法均无法实现能够在生物体内进行物质交换的微尺度(直径6～9μm)分又毛细血管网络的构建。
飞秒激光直写(fs-DLW)具有高分辨率(百纳米)和真三维加工等优点，为在微尺度下制备分叉毛细血管网络提供了一条新的途径。最近，Attilio Marino等人使用fs-DLW方法制造直径10μm单轴微管阵列，首次实现了体外毛细血管的构建。然而，由于fs-DLW采用的逐点扫描策略导致加工效率低下，构建一个微管阵列需要几个小时甚至数天时间，极大的限制了其应用前景。为解决这一问题，将空间结构光场调制技术与fs-DLW技术相结合，可以在保证加工分辨率的同时实现高效加工。在调制的典型结构光场中，具有环形光强分布的贝塞尔(Bessel)光束特别适合于加工微管结构，然而，以往的方法只能得到简单的单轴微导管，与实际的复杂毛细管网络相差甚远。到目前为止，还没有利用Bessel光束来制作分叉微管的案例，因为缺乏一种精确连接两个单轴微管的方法。
因此，如何实现一种直径可控、分支数目可变的分叉微管道的高效率、高精度快速的制备，在药物筛选、三维细胞培养、血管生理学等生物医学研究中意义重大。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供了一种分叉微管道的快速制备方法，以缓解现有技术中微管道制备时结构过于简单、效率低、精度低等技术问题。
(二)技术方案
本公开提供了一种分叉微管道的快速制备方法，包括：
操作S100：生成贝塞尔全息图；
操作S200：对所述贝塞尔全息图的部分区域进行相位调制生成环缝全息图；以及
操作S300：通过能够播放所述环缝全息图的加工光路制备分叉微管道。
在本公开实施例中，所述操作S200包括：
操作S210：选择所述贝塞尔全息图中的一区域作为相位调制区域；
操作S220：将所述相位调制区域的相位调制为零，剩余区域为非调制区域相位保持不变；以及
操作S220：调整所述相位调制区对应的中心角角度，使得能够实现中心角度可调的环缝全息图。
在本公开实施例中，所述环缝贝塞尔全息图的相位分布可以表示为：
其中，ph1(x，y)为非调制区域的相位分布，为方位角，θ为相位调制区域的中心角度；通过控制所述调制区域中心角的角度，能够获得中心角度可调的环缝全息图。
在本公开实施例中，所述操作S300包括：
操作S310：制备具有一侧向开口的主管道；以及
操作S320：在所述主管道的侧向开口处制备分叉管道。
在本公开实施例中，所述操作S310，包括：
S311：将相位调制区域的中心角度设置为零，沿设定的第一加工路径加工所述主管道；以及
S312：调整相位调制区域的中心角度，加工主管道侧向开口，得到分叉微管道的具有开口的所述主管道。
在本公开实施例中，所述操作S320，包括：
S321：调整相位调制区域的中心角度，沿设定的第二加工路径加工所述分叉管道，且形成的所述分叉管道的开口与所述主管道的开口互补连接；以及
S322：将相位调制区域的中心角度设置为零，继续沿设定的第二加工路径加所述分叉管道，进而得到所述分叉微管道。
在本公开实施例中，所述主管道加工能够得到具有多个开口的主管道，且每个所述主管道的开口能够互补连接一个所述分叉管道。
在本公开实施例中，所述分叉管道两端能够各互补连接一个所述主管道。
在本公开实施例中，所述操作S100包括：
操作S110：定义原始图像尺寸为N*N像素，N为正整数，其中任意一点的坐标为(x，y)，其中x，y∈(0，N)；
操作S120：通过所述螺旋相位板得到所述原始图像的的相位分布，其中n代表拓扑电荷数，/>
操作S130：通过所述锥透镜得到所述原始图像的的相位分布，其中r0代表轴棱锥半径；
操作S140：通过所述闪耀光栅，进行分离不同阶数的衍射光，得到所述原始图像的的相位分布；以及
操作S150：栅叠加形成所述贝塞尔全息图，其相位分布为：
mod代表取余运算。
在本公开实施例中，所述螺旋相位板和所述锥透镜的共同作用产生所述环形光场，所述环形光场直径通过拓扑电荷数n进行调节。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开分叉微管道的快速制备方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)结合区域相位调制原理和动态全息光拼接技术，与传统的逐点扫描策略相比，加工效率至少可提高30倍，可以实现具有良好密封性和导通性的各类复杂仿生形态分叉微管的制备；例如y形管道、双分叉管道、多分叉管道以及分叉管道网络；以及
(2)能够灵活调节管道直径(6～16μm)，在药物筛选、三维细胞培养、血管生理学等生物医学研究中意义重大。
附图说明
图1为本公开实施例分叉微管道的快速制备方法的方法流程图。
图2为本公开实施例分叉微管道的快速制备方法中贝塞尔全息图的生成过程示意图。
图3为本公开实施例分叉微管道的快速制备方法中环缝全息图的生成过程示意图。
图4为本公开实施例分叉微管道的快速制备方法中可控中心角环缝全息图的示意图。
图5为本公开实施例分叉微管道的快速制备方法的加工光路示意图。
图6为本公开实施例分又微管道的快速制备方法的动态全息光拼接原理示意图。
图7为本公开实施例分叉微管道的快速制备方法加工的y形管道、双分又管道、多分叉管道以及分叉管道阵列网络扫描电子显微镜示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
1 飞秒激光器
2 半波片
3 偏振分光棱镜
4 光闸
5、9、10、13 反射镜
6 扩束透镜组
7 空间光调制器
8、12 凸透镜
11 光阑
14 加工显微镜
15 压电位移平台
具体实施方式
本公开提供了一种分叉微管道的快速制备方法，所述制备方法以结合区域相位调制原理和动态全息光拼接技术，与传统的逐点扫描策略相比，加工效率高，可以实现具有良好密封性和导通性的各类复杂仿生形态分叉微管的制备。能够灵活调节管道直径，在药物筛选、三维细胞培养、血管生理学等生物医学研究中意义重大，可克服现有的分叉微管道制备方法的主要缺点和不足之处。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开实施例中，提供一种分叉微管道的快速制备方法，如图1至7所示，所述制备方法，包括：
操作S100：生成贝塞尔全息图；
操作S200：对所述贝塞尔全息图的部分区域进行相位调制生成环缝全息图；以及
操作S300：通过能够播放所述环缝全息图的加工光路制备分叉微管道。
在本公开实施例中，所述操作S200包括：
操作S210：选择所述贝塞尔全息图中的一区域作为相位调制区域；
操作S220：将所述相位调制区域的相位调制为零，剩余区域为非调制区域相位保持不变；以及
操作S220：调整所述相位调制区对应的中心角角度，使得能够实现中心角度可调的环缝全息图。
在本公开实施例中，所述操作S300包括：
操作S310：制备具有一侧向开口的主管道；以及
操作S320：在所述主管道的侧向开口处制备分叉管道。
在本公开实施例中，所述操作S310，包括：
S311：将相位调制区域的中心角度设置为零，沿设定的第一加工路径加工所述主管道；以及
S312：调整相位调制区域的中心角度，加工主管道侧向开口，得到分叉微管道的具有开口的所述主管道。
在本公开实施例中，所述操作S320，包括：
S321：调整相位调制区域的中心角度，沿设定的第二加工路径加工所述分叉管道，且形成的所述分叉管道的开口与所述主管道的开口互补连接；以及
S322：将相位调制区域的中心角度设置为零，继续沿设定的第二加工路径加所述分叉管道，进而得到所述分叉微管道。
在本公开实施例中，提供一种分叉微管道的快速制备方法，还可以为，包括：
操作S100：通过螺旋相位板、锥透镜和闪耀光栅生成贝塞尔全息图，进而得到光强分布为环形的环形光场；
操作S200：对贝塞尔环缝全息图进行区域调制，得到可控中心角环缝全息图，进而得到光强分布为可控间隙环形的C形光场；
操作S300：通过所述环形光场及所述C形光场，对光刻胶进行动态全息光拼接快速加工，得到分叉微管道。
在本公开实施例中，所述操作S100包括：
操作S110：定义原始图像尺寸为N*N像素，N为正整数，其中任意一点的坐标为(x，y)，其中x，y∈(0，N)；
操作S120：通过所述螺旋相位板得到所述原始图像的的相位分布，其中n代表拓扑电荷数，/>
操作S130：通过所述锥透镜得到所述原始图像的的相位分布，其中r0代表轴棱锥半径。
操作S140：通过所述闪耀光栅，进行分离不同阶数的衍射光，得到所述原始图像的的相位分布。
操作S150：栅叠加形成所述贝塞尔全息图，其相位分布为：
mod代表取余运算。
在本公开实施例中，所述螺旋相位板和所述锥透镜的共同作用产生所述环形光场，所述环形光场直径通过拓扑电荷数n进行调节。
在本公开实施例中，所述操作S200包括：
操作S210：通过对所述贝塞尔全息图进行区域相位掩模，能够得到环缝贝塞尔全息图，所述环缝贝塞尔全息图的相位分布可以表示为：
其中θ为调制区域的中心角度，为方位角；
操作S220：通过控制所述调制区域，能够获得可控中心角环缝全息图。
在本公开实施例中，所述操作S300包括：
操作S310：主管道加工，先通过所述环形光场加工所述光刻胶，再通过可控间隙环形的C形光场对所述光刻胶进行加工，最后通过所述环形光场加工所述光刻胶，得到分叉微管道的具有开口的主管道；
操作S320：分叉管道加工，先通过可控间隙环形的C形光场对所述光刻胶进行加工，且形成的开口与所述主管道的开口互补连接，再通过所述环形光场加工所述光刻胶，得到分叉管道，进而得到所述分又微管道。
在本公开实施例中，加工所述分叉管道的开口的各光场形状，为加工相对所述主管道的开口的各光场绕其中心轴旋转180°的形状。
在本公开实施例中，所述主管道加工能够得到具有多个开口的主管道，且每个所述主管道的开口能够互补连接一个所述分叉管道。
在本公开实施例中，所述分叉管道两端能够各互补连接一个所述主管道。
在本公开实施例中，所述的分叉微管道的快速制备方法，还包括：
操作S400：将所述分叉微管道在正丙醇中显影得到显影分叉微管道。
在本公开实施例中，所述的分叉微管道的快速制备方法，还包括：
操作S500：通过电子显微镜对所述显影分叉微管道进行扫描，并表征加工结果。
具体地以环形光场尺寸为1080*1080像素为例，详细说明一种分叉微管道的快速制备方法，首先利用区域相位调制原理生成具有可控中心角的环缝全息图，然后基于动态全息光拼接技术完成加工，最后对加工样品进行显影并表征加工结果，其主要技术内容如下：
贝塞尔全息图的生成：如图2所示，贝塞尔全息图由螺旋相位板、锥透镜和闪耀光栅叠加组成，尺寸为1080*1080像素，定义其中任意一点的坐标为(x，y)，x，少∈(0，1080)。螺旋相位板提供了的相位分布，其中n代表拓扑电荷数，/>锥透镜提供了的相位分布，其中r0代表轴棱锥半径。螺旋相位板和锥透镜共同作用产生环形光场，其直径可以通过拓扑电荷数n进行调节。闪耀光栅提供了/>相位分布，用于分离不同阶数的衍射光。最后，Bessel全息图的相位分布为：
mod代表取余运算。
可控中心角环缝全息图生成过程：通过区域调制Bessel全息图的相位可以生成环缝Bessel全息图，如图3所示，其光强分布为间隙环形。区域相位掩膜的白色部分表示相位不变的非调制区域，与调制前的贝塞尔全息图的相位一致，黑色部分表示相位调制区域，该区域相位调制为零。因此，环缝Bessel全息图的相位分布可以表示为：
其中θ为调制区域的中心角度。通过控制调制区域的大小，可以获得可控中心角的环缝全息图和C形光场，如图4所示。
利用动态全息光拼接技术的快速加工，如图5所示，所使用的加工为飞秒激光器1发出激光束，经过半波片2和偏振分光棱镜3控制激光能量，光闸4可以控制激光通断，激光经反射镜5、扩束透镜组6后照射在空间光调制器7上，再经过凸透镜8、光阑11、凸透镜12组成的4f滤波系统和反射镜9、10、13的三次反射后，进入加工显微镜14，对放置在压电位移平台15的光刻胶样品进行加工。
对于目标分叉管道的加工，需要利用动态全息光拼接技术完成，即随着位移平台按照预设路径移动，空间光调制器7上加载的可控中心角环缝全息图也按照预先的设计有序变化。如图6所示，展示了微管网络中一段分叉管道的加工示意图，分叉管道需要通过两段不同的扫描加工路径制造。在扫描路径1时，光场经历三段变化，首先通过环形光场加工主管道，接着光场变化为可控间隙环形的C形光场，随着加工的继续开口环状光场按照设计的过程逐渐闭合，最终在主管道上形成一个理想的开口；接下来光闸4会闭合，位移平台15移动样品至主管道开口起始位置与焦点重合处，这时再打开光闸4开始第二段分叉管道的加工，第二段分叉口处光场与第一段相似，但是可控中心角环缝全息图的调制区域和未调制区域与主管道的反转，且光场变化的同时位移平台按照预设的路径2倾斜拉伸，以保证管道在分叉口处的导通和紧密连接。
样品显影并表征加工结果：经过动态全息光拼接技术聚合的加工样品，需要在正丙醇中显影30min，未经聚合的区域完全溶解，最终获得显影分叉微管道。采用扫描电子显微镜(SEM)表征加工结果，如图7所示，显示了y形管道、双分叉管道、多分叉管道以及分叉管道网络的加工结果。
上述一种分叉微管道的快速制备方法，其特征在于通过区域相位调制添加扇形掩膜，可以获得可控中心角度的环缝全息图和C形光斑。
上述一种分叉微管道的快速制备方法，其特征在利用动态全息光拼接技术，可以实现y形管道、双分叉管道、多分叉管道以及分叉管道网络的快速加工。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开分叉微管道的快速制备方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种分叉微管道的快速制备方法，该方法与传统的逐点扫描策略相比，加工效率至少可提高30倍，可以实现具有良好密封性和导通性的各类复杂仿生形态分叉微管的制备，例如y形管道、双分叉管道、多分叉管道以及分叉管道网络，并且能够灵活调节管道直径(6～16μm)。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种分叉微管道的快速制备方法，能够灵活调节微管道直径，实现复杂仿生形态分叉微管的制备，如包括多分叉管道、以及分叉管道阵列，微管道直径范围6μm～16μm，所述制备方法包括：
操作S100：生成贝塞尔全息图，进而得到光强分布为环形的环形光场；
操作S200：通过扇形掩膜对所述贝塞尔全息图的部分区域进行相位调制生成可控中心角环缝全息图，进而得到光强分布为可控间隙的C形光场；以及
操作S300：通过所述环形光场及所述C形光场，对光刻胶进行动态全息光拼接加工，得到分叉微管道；
操作S200包括：操作S210：选择所述贝塞尔全息图中的一区域作为相位调制区域；操作S220：将所述相位调制区域的相位调制为零，剩余区域为非调制区域相位保持不变；以及操作S230：调整所述相位调制区对应的中心角角度，使得能够实现中心角度可调的环缝全息图；
操作S300包括：操作S310：制备具有一侧向开口的主管道；以及操作S320：在所述主管道的侧向开口处制备分叉管道；
操作S100包括：
操作S110：定义原始图像尺寸为N*N像素，N为正整数，其中任意一点的坐标为(x,y)，其中x,y∈(0,N)；
操作S120：通过螺旋相位板得到所述原始图像的的相位分布，其中n代表拓扑电荷数，/>
操作S130：通过锥透镜得到所述原始图像的的相位分布，其中r0代表轴棱锥半径；
操作S140：通过闪耀光栅，进行分离不同阶数的衍射光，得到原始图像的的相位分布；以及
操作S150：闪耀栅叠加形成所述贝塞尔全息图，其相位分布为：
mod代表取余运算；
螺旋相位板和所述锥透镜的共同作用产生环形光场，环形光场直径通过拓扑电荷数n进行调节；
所述操作S310，包括：
S311：将相位调制区域的中心角度设置为零，沿设定的第一加工路径加工所述主管道；以及
S312：调整相位调制区域的中心角度，加工主管道侧向开口，得到分叉微管道的具有开口的所述主管道；
操作S320，包括：
S321：调整相位调制区域的中心角度，沿设定的第二加工路径加工所述分叉管道，且形成的所述分叉管道的开口与所述主管道的开口互补连接；以及
S322：将相位调制区域的中心角度设置为零，继续沿设定的第二加工路径加所述分叉管道，进而得到所述分叉微管道；
分叉管道通过两段不同的扫描加工路径制造，在扫描第一加工路径时，首先通过环形光场加工主管道，接着光场变化为可控间隙环形的C形光场，随着加工的继续开口环状光场按照设计的过程逐渐闭合，最终在主管道上形成一个开口；接下来光闸闭合，位移平台移动样品至主管道开口起始位置与焦点重合处，这时再打开光闸开始第二加工路径分叉管道的加工，第二加工路径分叉口处光场与第一段相似，但是可控中心角环缝全息图的调制区域和未调制区域与主管道的反转，且光场变化的同时位移平台按照预设的第二加工路径倾斜拉伸，以保证管道在分叉口处的导通和紧密连接。
2.根据权利要求1所述的分叉微管道的快速制备方法，其中，
环缝贝塞尔全息图的相位分布可以表示为：
其中，ph1(x,y)为非调制区域的相位分布，为方位角，θ为相位调制区域的中心角度；通过控制所述调制区域中心角的角度，能够获得中心角度可调的环缝全息图。
3.根据权利要求1所述的分叉微管道的快速制备方法，其中，所述主管道加工能够得到具有多个开口的主管道，且每个所述主管道的开口能够互补连接一个所述分叉管道。
4.根据权利要求1所述的分叉微管道的快速制备方法，其中，所述分叉管道两端能够各互补连接一个所述主管道。
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