Em cima, foto do novo microscópio, vendo-se os feixes de laser passando pelo sistema de lentes impressas em 3D.
Embaixo, comparação das imagens geradas pela técnica atual (esquerda) e pelas novas lentes de baixo custo (direita).
Microscopia de super-resolução e baixo custo
A impressão 3D vem melhorando continuamente, mas ninguém esperava que impressoras 3D de baixo custo e matérias-primas acessíveis, disponíveis comercialmente, pudessem ser usadas para produzir componentes ópticos de alta precisão, superiores aos usados nos laboratórios científicos.
Jay Christopher e colegas da Universidade de Strathclyde, no Reino Unido, demonstraram isto criando sistemas multilentes capazes de gerar imagens de super-resolução. A demonstração inclui um microscópio avançado que gera imagens de microtúbulos no citoesqueleto de uma célula com uma resolução de cerca de 150 nanômetros (nm), contra 237 nm dos componentes comerciais topo de linha.
Esta técnica de imageamento é chamada de microscopia de iluminação estruturada multifocal (SIM: Structured Illumination Microscope). Ela utiliza luz padronizada em múltiplos pontos focais para iluminar uma amostra, capturando múltiplas imagens que são combinadas computacionalmente para revelar detalhes menores que o limite de difração.
E, como cada lente impressa em 3D custa menos de US$ 1, esta nova abordagem de fabricação deverá ampliar o acesso a componentes ópticos totalmente personalizáveis, viabilizando o desenvolvimento de ferramentas de imagem completamente novas.
“Nossa nova abordagem pode capacitar cientistas e empresas a acessar ferramentas antes restritas a tecnologias especializadas e de alto custo,” disse Christopher. “Usando impressoras 3D e materiais acessíveis, eles poderão fabricar seus próprios componentes para resolver os problemas que enfrentam e, por sua vez, gerar soluções exclusivas para pesquisa e desenvolvimento de produtos.
Impressão 3D cria lentes para microscópio de super-resolução
Lentes impressas em 3D
O processo de projeto e fabricação das lentes não parece ter segredos, combinando impressão 3D, moldagem em silicone e uma resina transparente curável por UV.
Contudo, para criar lentes de qualidade suficiente para microscopia, os pesquisadores precisaram encontrar uma maneira de reduzir a dispersão óptica observada ao focalizar um laser através de uma lente impressa em 3D. Essa dispersão ocorre porque a lente é impressa camada por camada usando uma tela pixelizada, o que acaba gerando efeitos de difração indesejados na lente.
A solução foi alcançada usando um método de moldagem que começa com um processo típico de impressão 3D, que envolve o projeto da lente em um software CAD e, em seguida, o uso de uma impressora padrão para fabricar o modelo inicial. Após algumas etapas simples de processamento, obtém-se uma lente bruta impressa em 3D.
Para melhorar a nitidez e a transparência da lente, os pesquisadores aplicaram mais material em cada superfície da lente para suavizar as finas camadas produzidas pela deposição sequencial. Essa abordagem aditiva, muito mais rápida do que o método tradicional de polimento, criou uma lente personalizada com superfícies suficientemente lisas para competir com lentes de vidro comerciais.
Para construir o microscópio de iluminação estruturada multifocal, a equipe projetou e imprimiu uma matriz de microlentes, que é uma única óptica composta por muitas pequenas lentes na mesma superfície. Esse projeto óptico possibilita a criação de muitos pontos de iluminação no microscópio, acelerando a capacidade de capturar detalhes minúsculos em amostras biológicas. Após imprimir e refinar a matriz de microlentes, os pesquisadores fizeram um molde de silicone, que foi preenchido com uma resina transparente de baixo custo e curável por UV, criando uma peça óptica que não sofreu com os efeitos da difração.
Bibliografia:
Artigo: Low-Cost 3D Printed Optics for Super-Resolution Multifocal Structured Illumination Microscopy
Autores: Jay Christopher, Liam M. Rooney, Charlie Butterworth, Gail McConnell, Ralf Bauer
Revista: Biomedical Optics Express
DOI: 10.1364/BOE.583760