Prototyping of a Surface-integrated Mechano-optical Microsensor System for 3D Traction Force Measurements by DHM/DIC

Neumann, Hendrikje Marie ORCID

In times of a rapid development and growing market in robotics, high-tech protheses and the personalization of medicine, biomimicking natural materials like artificial tissue are of central interest within research and industry. To fully understand the structure-function relations within living systems, comprehensive knowledge about the smallest living block, the cell, and its biomechanics are a central topic in world-wide research. However, there is so far no comprehensive technique established that can measure 3D cell forces simultaneously and quantitatively. In this project, a novel surface-integrated mechano-optical microsensor system has therefore been conceptualized, prototyped and tested, which allows for the record of pico- to micronewton traction forces in three dimensions simultaneously. First, adequate microsensor elements were designed via topology optimization and linear static finite element analysis. These designs were fabricated by micromachining processes of biocompatible thin films of nickel-titanium and amorphous silicon. Furthermore, a plasma etching process was developed to fabricate polydimethylsiloxane sensor elements. For accurate and quantitative traction force measurements, AFM cantilever based calibrations of the out-of-plane and in-plane sensor element spring constants were established. For the first time, a diamagnetic levitation force calibrator was used as an adequate pre-calibration method for the sensor elements with a high accuracy of 1 %. For the cost-efficient, simple, compact, variable and sensitive mechano-optical readout, a setting was conceptualized and tested based on the combination of digital holography and digital image correlation. To control cell adhesion, a high-throughput micro-nano structuring method was developed based on the fusion of ink-jet printing with the established method of diblock-copolymer micelle nanolithography.

In Zeiten schneller Entwicklung und wachsender Märkte in der Robotik, der high-tech Prothetik und der personalisierten Medizin ist die Biomimetik natürlicher Materialien wie beispielsweise künstliche Haut von zentralem Interesse in Forschung und Industrie. Um die Struktur-Funktions-Beziehungen in lebenden Systemen umfassend zu verstehen ist die umfangreiche Wissenserweiterung hinsichtlich des kleinsten lebenden Bausteins, der Zelle, und seiner Biomechanik Gegenstand weltweiter Forschungsprojekte. Dennoch gab es bis jetzt keine Methode, die 3D Zellkräfte simultan und quantitativ messen kann. In diesem Projekt wurde ein neuartiges, oberflächen-integriertes, mechano-optisches Mikrosensorsystem konzeptioniert, prototypisiert und getestet, das die Messung piko-bis mikronewton kleiner Zugkräfte gleichzeitig in alle drei Dimensionen ermöglicht. Die Sensorelemente wurden mittels Topologieoptimierung und linear statischer Finite Elementanalyse konzipiert. Diese Designs wurden in Mikromaterialbearbeitungsprozessen aus biokompatiblen Nickel-Titan und amorphen Silizium-Dünnschschichten hergestellt. Desweiteren wurde ein Prozess entwickelt, um Polydimethylsiloxan basierte Sensorelemente herzustellen. Für genaue, quantitative Zugkraftmessungen wurden AFM-Cantilever basierte Kalibrierungen der axialen und lateralen Sensorelement-Federkonsten etabliert. Zum ersten Mal wurde dabei ein diamagnetischer Levitationskraftkalibrator mit einer Genauigkeit von 1% als geeignete Kalibrierungsmethode für die Sensorelemente genutzt. Für eine günstige, einfache, kompakte, variable und im Nanometerbereich empfindliche mechano-optische Datenauslesung wurde ein Aufbau konzeptioniert und getestet, in dem digitale Holographie und digitale Bildkorrelation kombiniert werden. Zur Zell-Adhäsionskontrolle wurde eine Hochdurchsatz-Mikro-Nanostrukturierungsmethode entwickelt, die auf der Kombination von Ink-Jet Drucken mit der etablierten Methode der Diblock-Copolymer Mizellen Nanolithographie basiert.

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Neumann, Hendrikje: Prototyping of a Surface-integrated Mechano-optical Microsensor System for 3D Traction Force Measurements by DHM/DIC. 2019.

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