Ein Forscherteam des Advanced Microfluidics and Microdevices Laboratory (AMMLab) der NYU Abu Dhabi hat eine neue Art von Atomic Force Microscopy (AFM)-Sonden in echten dreidimensionalen Formen entwickelt, die sie 3DTIPs nennen. Die AFM-Technologie ermöglicht es Wissenschaftlern, Proben und Mikro- und Nanoeinheiten mit beispielloser Präzision zu beobachten, zu messen und zu manipulieren. Die neuen 3DTIPs, die in einem einstufigen 3D-Druckverfahren hergestellt werden, können für eine größere Vielfalt von Anwendungen – und potenziellen Beobachtungen und Entdeckungen – verwendet werden als standardmäßige, eingeschränktere Sonden auf Siliziumbasis, die als hochmodern gelten. Kunst in unserer heutigen Zeit.
Rasterkraftmikroskopie (AFM) ist eine Technik zur Charakterisierung von Proben durch Scannen einer physikalischen Sonde über Oberflächen, wodurch beeindruckende Auflösungen erzeugt werden, die 1.000-mal höher sind als die der optischen Mikroskopie. AFM ist ein grundlegendes Instrument in vielen Disziplinen, einschließlich der biomedizinischen Wissenschaften, mit Anwendungen, die von der Charakterisierung lebensfähiger Bakterien und Säugetierzellen, der Analyse von DNA-Molekülen, der Untersuchung von Proteinen in Echtzeit und der Abbildung von Molekülen bis hin zur subatomaren Auflösung reichen.
Die AFM-Sonde, bestehend aus einem winzigen Auslegerbalken mit einer Miniaturspitze an seinem Ende, ist das Herzstück der Technologie. Es ertastet und tastet Probenoberflächen durch Anziehungs- und Abstoßungskräfte, genauso wie wir unsere Fingerspitzen benutzen, aber mit einer Auflösung bis auf die atomare Ebene. Kommerzielle AFM-Sonden werden aus Silizium hergestellt, wobei herkömmliche Halbleiterherstellungsverfahren verwendet werden, die typisch für die Mikroelektronikindustrie sind und durch 2D-Designs und langwierige Produktionsschritte begrenzt sind. Diese hochmodernen Sonden sind starr, spröde und nur in bestimmten Formen erhältlich. Sie sind nicht ideal für die Sondierung weicher Materie, wie z. B. Säugetierzellen.
In dem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel Fortgeschrittene Wissenschaftstellen die Forscher ihre proprietäre Technologie zur Herstellung von AFM-Sonden der nächsten Generation auf der Grundlage des Zwei-Photonen-Polymerisations-3D-Drucks vor. Die resultierenden 3DTIPs sind weicher als ihre Gegenstücke auf Siliziumbasis, wodurch sie besser für AFM-Anwendungen geeignet sind, die sanftere Wechselwirkungen mit Zellen, Proteinen und DNA-Molekülen beinhalten. Wichtig ist, dass die Materialeigenschaften von 3DTIPs Scans ermöglichen, die mehr als 100-mal schneller sind als bei normalen Siliziumsonden mit ähnlichen Abmessungen. Daher könnten 3DTIPs die Tür für die Aufnahme von Videos öffnen, die Bioaktivitäten von Proteinen, DNA und sogar kleineren Molekülen in Echtzeit erfassen.
„Wir haben eine neuartige Technologie für AFM-Sonden der nächsten Generation mit neuen Materialien, verbesserten Designs und Produktionsprozessen, neuartigen Formen in 3D und kundenspezifischem Prototyping für einen nahtlosen Produktionszyklus für anwendungsorientierte AFM-Sonden entwickelt“, sagte Mohammad Qasaimeh, der Direktor Ermittler des Projekts und außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Bioingenieurwesen an der NYUAD. „Die Möglichkeit, kundenspezifische AFM-Sonden mit innovativen 3D-Designs in einem einzigen Schritt zu erstellen, bietet endlose multidisziplinäre Forschungsmöglichkeiten.“
„Unsere 3DTIPs sind in der Lage, hochauflösende, schnelle AFM-Bildgebung unter Verwendung gängiger AFM-Modi und unter Luft- und Flüssigkeitsumgebungen zu erhalten“, sagte Dr. Ayoub Glia, der Erstautor der Studie und Postdoktorand am AMMLab. „Die Verfeinerung des Spitzenendes der 3DTIPs durch fokussiertes Ionenstrahlätzen und den Einschluss von Kohlenstoffnanoröhren erweitert ihre Funktionalität in der hochauflösenden AFM-Bildgebung erheblich und erreicht Angström-Skalen.“
Die Autoren der Studie hoffen, dass die multifunktionalen Fähigkeiten der 3DTIPs AFM-Spitzen der nächsten Generation in routinemäßige und fortgeschrittene AFM-Anwendungen bringen und die Bereiche der Hochgeschwindigkeits-AFM-Bildgebung und biologischen Kraftmessungen erweitern könnten.
Ayoub Glia et al, 3D-Generierung von Mehrzweck-Rasterkraftmikroskopiespitzen, Fortgeschrittene Wissenschaft (2022). DOI: 10.1002/adv.202201489