Institute of Biophysics (HUN-REN Biological Research Centre Szeged)
Participants
Aekbote, Badri Lakshmanrao Búzás, András Hoyk, Zsófia Ormos, Pál Valkai, Sándor Vizsnyiczai, Gaszton
Starting date
2014-10-01
Closing date
2017-09-30
Funding (in million HUF)
30.918
FTE (full time equivalent)
5.55
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A pályázat célja a femtoszekundumos lézeres megmunkáláson alapuló additív és a szubtraktív technológiák kombinálása egyetlen gyártási rendszerbe fejlett csiplaboratórium rendszerek előállításához.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. Femtoszekundumos lézeres megmunkáláson alapuló additív és a szubtraktív technológiák demonstrálása SLM alkalmazása ezen technikában a folyamatok párhuzamosítása érdekében. A technológia demonstrálása fejlett 3D csiplaboratórium készítésében.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A femtoszekundumos lézeres megmunkáláson alapuló technológia nagyban lecsökkenti a a csiplaboratórium fejlesztési költségeit a gyors prototípusok készítése révén.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A projekt célja több lézeres megmunkáláson alapuló technológia kombinálása egy gyártási folyamattá, mellyel fejlett bio-mikrofluidikai rendszerek állíthatók elő.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. photonic manufacturing is a key enabling technology that might give a competitive advantage over emerging economies that leverage low-cost labor. Lasers are providing extraordinary opportunities for innovation in an ever-widening range of material processing and manufacturing applications and stands out as an ideal method due to its high-resolution capabilities, fast processing speed, high flexibility and reliability. Lasers are a unique and versatile tool for processing a wide range of materials, such as metals, alloys, ceramics, glasses and polymers, in both industrial and academic applications. Femtosecond (fs) laser micromachining is particularly interesting in high-profile applications because of its ability for minimal damage and precise processing. Ultra short-pulse machining is not dependent on linear absorption of laser light, which means that in principle any material, transparent or opaque, can be processed with the same laser system, thus enabling the manufacturing of innovative multi-material devices. In addition, in transparent materials, fs-laser machining allows both surface and volume three-dimensional (3D) microfabrication. 3D photonic manufacturing, based on fs-lasers, can be divided into two main categories: the subtractive one, where the machined material is removed from the original piece, and the additive one, where new structures are created (e.g. by photopolymerization) during the machining. The aim of this project is to combine both categories in just one manufacturing process to fabricate advanced devices such as bio-microchips with unprecedented functionalities and with a single production tool.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. The main objectives of the project will be: - Demonstration of the possible combination of subtractive and additive photonic manufacturing on the same device and with the same laser-system; - Engineering of the laser beam by a Spatial Light Modulator (SLM) to improve the quality of the manufacturing process, and to overcome the serial nature of the technique by parallelizing the manufacturing process; - Demonstration of the technology disruptive potential by the production of innovative Lab-On-Chips (LOCs) with 3D layouts and integrated optical and other functionalities.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. Femtosecond laser manufacturing will significantly reduce the LOC and micro total analysis system (μTAS) development cost by allowing a rapid prototyping through a direct fabrication, avoiding the lengthy and expensive steps of traditional photolithographic techniques. In addition, rapid prototyping will dramatically decrease the product development time leading to a shorter time-to-market for new products. The flexibility of fs laser microfabrication is also important in small series productions addressing specific applications. This would give an increased market share to the companies possessing this technology since they will be able to quickly address specific customer requests.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. The recent trend in the manufacturing industry is to replace expensive and time-consuming mechanical material processing with higher quality and faster alternatives. Lasers are providing extraordinary opportunities for innovation in an ever-widening range of material processing and manufacturing applications. The aim of this project is to combine several laser-based technologies in just one manufacturing process to fabricate advanced devices such as bio-microchips with unprecedented functionalities.
Final report
Results in Hungarian
A projekt alatt a kétfotonos polimerizáció (TPP) módszerét fejlesztettük, és 3D mikroszerkezeteket készítettünk mikrofluidikai alkalmazásokhoz.
Kidolgoztunk egy korrekciós módszert arra az esetre, amikor a polimerizáló nyaláb torzulást szenved, mivel vastag, ~100 mikrométer fényérzékeny rétegen keresztül kell lefókuszálni. Az így létrejövő fókuszfolt eltolódást 10%-ról 2%-ra sikerült csökkenteni, a fókusz torzulását pedig gyakorlatilag megszüntettük.
Optimalizált alakú optofluidikai detektorokat fejlesztettünk jelölésmentes detektáláshoz, amelyek a suttogó galéria (whispering gallery) csatolás elvén működnek. Magas, 2x10^4 Q-számú eszközt sikerült készíteni, és egy működő detektort mikrofluidikai csatornába integrálni.
1 mikrométernél keskenyebb csatornákkal ellátott mikroszerkezeteket készítettünk sejtmigráció tanulmányozásához, melyeket aztán mikrofluidikai csatornába integráltunk. Azt találtuk, hogy a sejtek a keskeny csatornákon való áthaladás során nagymértékben megváltoztatják alakjukat, és egyes sejtalkotók időlegesen szétesnek.
Lézercsipesszel mozgatható mikroszerkezeteket készítettünk párhuzamosított TPP-vel felület-érzékenyített Raman spektroszkópiához (SERS). Az eszköz mikrofluidikai környezetben használható és vele igen kis koncentrációban jelen lévő anyag mérhető. A módszerrel 10^-6 mólos koncentrációban jelen lévő anyagot sikerült kimutatnunk.
Lézercsipesszel mozgatható mikroszerkezeteket készítettünk párhuzamosított TPP-vel, amelyekkel egyedi sejteket lehet manipulálni. Megmutattuk, hogy így a sejtek 6 szabadsági fokkal mozgathatók és kb. 125nm pontossággal tarthatók egy helyben.
Results in English
In the project we advanced the method of two-photon polymerization (TPP) and prepared 3D microstructures for microfluidic applications.
A correction procedure was developed for the beam distortion that arises during TPP when the polymerizing beam is focused into a thick, ~100 micrometers layer of photoresist. The associated focal shift was reduced from 10% to 2% and focal spot distortion practically eliminated.
Shape-optimized optofluidic detectors were fabricated that apply whispering gallery mode coupling for label-free detection. A high, 2x10^4 Q-factor was achieved, and functioning detectors were integrated with microfluidic channels.
Microstructures consisting of tunnels of less than 1 micrometer width were fabricated for a study of cancer cell migration and integrated into a task-specific microfluidic channel. Severe cell shape change and transient cell organelle desintegration during cell migration through the tunnels were verified with the device.
Optically manipulated microtools were prepared with parallel TPP for surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) of small concentration of analyte in microfluidic channels. 10^-6 molar analyte could be detected with the method.
Optically manipulated microtools were prepared with parallel TPP for single cell manipulation. Spherical cells were actuated with 6 degrees of freedom and with ~125nm accuracy.
Aekbote BL, Fekete T, Jacak J, Vizsnyiczai G, Ormos P, Kelemen L: Surface-modified complex SU-8 microstructures for indirect optical manipulation of single cells, BIOMED OPT EXPRESS 7: (1) 45-56, 2016
Oroszi L, Buzas A, Galajda P, Kelemen L, Mathesz A, Vicsek T, Vizsnyiczai G, Ormos P: Dimensionality constraints of light-induced rotation, APPL PHYS LETT 107: (20), 2015
Vizsnyiczai G, Aekbote BL, Buzas A, Grexa I, Ormos P, Kelemen L: High accuracy indirect optical manipulation of live cells with functionalized microtools, PROCEEDINGS OF SPIE 9922: , 2016
