3D micro- and nanofabrication strategies for complex endomicroscopic systems

Medientyp: E-Book

Titel: 3D micro- and nanofabrication strategies for complex endomicroscopic systems

Beteiligte: Taege, Yanis Alexander [Verfasser]; Ataman, Çağlar [Akademischer Betreuer]; Ataman, Çağlar [GutachterIn]; Bock, Michael [GutachterIn]

Körperschaft: Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Gisela-und-Erwin-Sick-Professur für Mikrooptik ; Microsystems for Biomedical Imaging Laboratory ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Fakultät für Angewandte Wissenschaften

Erschienen: Freiburg: Universität, 2024

Umfang: Online-Ressource

Sprache: Englisch

DOI: 10.6094/UNIFR/243621

Identifikator:

Schlagwörter: Optische Kohärenztomografie ; Bildgebendes Verfahren ; Endomikroskopie ; Zwei-Photonen-Polymerisation ; Selektives Laserschmelzen ; Mikroskopie ; Lichtscheibenmikroskopie ; Airy-Funktion ; (local)doctoralThesis

Entstehung:

Hochschulschrift: Dissertation, Universität Freiburg, 2023

Anmerkungen:

Beschreibung: Abstract: Sondenköpfe sind ein essentieller Bestandteil in der Erforschung der optischen Biopsie, einer Methode zur endoskopischen Früherkennung von Krebs. Die Miniaturisierung komplexer Bildgebungsmodalitäten ist jedoch mit erheblichen Herausforderungen verbunden, da diese durch die millimetergroßen Arbeitskanäle von Endoskopen passen müssen. Die vorliegende Dissertation beschreibt die Kombination von direktem Laserschreiben mittels Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) mit selektivem Laserätzen (SLE) zur Herstellung bisher nicht realisierbarer endomikroskopischer Systeme. Die breite Anwendbarkeit dieser Methodik wird anhand der Miniaturisierung von zwei grundlegend unterschiedlichen Bildgebungsverfahren für den Einsatz in einem flexiblen Arbeitskanal von 3,5 mm Durchmesser demonstriert: Für die optische Kohärenztomographie wurde ein Sondenkopf aus Glas entwickelt, der mit seiner Kompaktheit eine bisher unerreichte optomechanische Leistungsfähigkeit aufweist. Diese Implementierung zeigte die Vorteile einer umfassenden Nutzung des selektiven Laserätzens für die passive und aktive 3D-Ausrichtung in faseroptischen Rasterendoskopen auf. Darüber hinaus wurde der Sondenkopf um eine lasergeschriebene Faserspitze mit einer Selbstkalibrierungsfunktion ausgestattet, die den klinischen Arbeitsablauf optimieren kann. Dies wurde durch eine Polymerstruktur realisiert, die sowohl über eine Fokussieroptik als auch über eine Mikromagnethalterung verfügte. Für die Lichtblattmikroskopie wurden mittels einer lasergeschriebene Phasenplatte statische Airy-Lichtblätter, eine Klasse nichtbeugender Strahlen, kompakt erzeugt. Hierfür wurde zunächst eine mikrooptische Beleuchtungseinheit entwickelt, die als Zusatzmodul ein bestehendes Mikroskop mit einer Lichtblattbeleuchtung ausstattete, was den Aufbau mittels faseroptischer Lichtversorgung erheblich vereinfachte. Darauf aufbauend wurde ein Sondenkopfkonzept für die Zwei-Photonen-Airy-Lichtblattmikroskopie entwickelt, für das ein neuartiges, biaxial-beschleunigendes Lichtblatt konzipiert wurde. Mit ihrem breit aufgestellten optomechanischen Anwendungsspektrum bieten beide Strukturierungsmethoden somit ein enormes Potential für die endoskopische Miniaturisierung komplexer Abbildungsmodalitäten, auch weit über die hier vorgestellten hinaus

Abstract: Endomicroscopic probe heads are an indispensable tool in the advancement of optical biopsy, a promising method in endoscopy-based early cancer screening. However, significant challenges arise when attempting to miniaturize advanced imaging modalities to fit within the millimeter-scale working channels of endoscopes. This dissertation details the combination of two 3D-microstructuring techniques -- direct laser-writing with two-photon polymerization (2PP) and selective laser etching (SLE) - to manufacture unprecedented endomicroscopic systems. To demonstrate the broad applicability and sophistication of this approach, two fundamentally distinct imaging techniques, each with considerable promise for optical biopsies, were miniaturized to fit through a flexible endoscopic working channel with 3.5 mm in diameter: For optical coherence tomography, a compact glass probe head was developed, offering unparalleled optomechanical performance with respect to its footprint. This implementation showcased the benefits of extensively utilizing SLE for both passive and active 3D alignment in fiber scanning endoscopes. In addition, a fiber tip laser-written with 2PP was incorporated as an optomechanical element, combining focusing optics and a micromagnet mount in a single part. With this structure the probe head was capable of self-calibration, thereby streamlining the clinical workflow. For light-sheet microscopy, a laser-written freeform phase plate was developed to compactly generate static Airy light-sheets, a class of propagation-invariant beams. The integration of this phase plate into a micro-optical illumination unit endowed an existing benchtop system with light-sheet imaging capabilities. Designed as a ``plug-and-play'' add-on module, it significantly simplified both setup and alignment via fiber-based light delivery and system-integrated beam shaping. In addition, a probe head concept for two-photon Airy light-sheet microscopy was developed, which is built upon these advances and introduces a novel form of biaxially accelerating static light-sheet. Due to their flexibility and wide range of optical and mechanical features these microstructuring techniques have a high potential to miniaturize imaging modalities even beyond the two presented ones for endomicroscopic systems

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