AOM：連續(xù)液面成型和多光子光刻相結合，可實現(xiàn)多尺度、多材料3D水凝膠結構打印

來源：EngineeringForLife

連續(xù)液面成型（CLIP），利用丙烯酸酯氧阻聚效應，氧氣會抑制料槽底部部分墨水固化，形成幾十微米厚的“死區(qū)”，紫外光會固化死區(qū)上方的墨水，打印無需緩慢剝離，從而可以連續(xù)打印。然而，CLIP不能制造分辨率優(yōu)于25 μm的結構。多光子燒蝕（MPA）利用超快激光去除材料，能夠在玻璃和聚合物基板中創(chuàng)建嵌入的中空微通道及凹槽�；�于光刻的減材制造可以制造亞微米級結構，但通常僅限于平面或2.5D結構。

來自Syracuse University的Pranav Soman團隊開發(fā)了一種新型混合激光打�。℉LP）技術，可以打印具有微米級分辨率的多尺度、多材料3D水凝膠結構。研究人員展示了HLP在三種不同制造模式下的打印能力：加法/減法、加法/加法和多材料模式，可以預見HLP的打印能力可應用于更加廣泛的領域。相關論文“Hybrid Laser Printing of 3D, Multiscale, Multimaterial HydrogelStructures”發(fā)表于雜志Advanced Optical Materials上。

圖1HLP打印機的設計示意圖

如圖1所示，HLP裝置由飛秒激光源組成，用于加法和減法制造模式。加法交聯(lián)模式，即CLIP，通過飛秒激光束經過二次諧波發(fā)生器（SHG）獲得紫外光，然后通過數(shù)字微鏡裝置（DMD）空間調制而進行，類似于傳統(tǒng)的光固化打印方式。減法燒蝕模式，即MPA，通過物鏡引導飛秒激光束燒蝕先前交聯(lián)層內的空隙。飛秒激光還可以通過多光子聚合（MPP）以微尺度分辨率聚合3D結構。加法模式可以打印的最小特征尺寸為30 μm，而減法模式可以燒蝕的最小特征尺寸為3 μm。

“z軸燒蝕范圍”指交聯(lián)水凝膠層內，材料可以在減法模式下有效去除的區(qū)域。圖2分別描述了影響死區(qū)厚度和z軸燒蝕范圍的因素及函數(shù)關系。

圖2 死區(qū)和z軸燒蝕范圍

如圖3所示，HLP用于打印具有內部微觀特征的復雜3D結構。加法和減法過程自動進行迭代，以制造帶有嵌入式立方體框架的瑪雅金字塔。結果表明，HLP能夠去除3D結構內任何深度的材料。

圖3 加法/減法模式打印過程示意圖

如圖4所示，打印用戶定義的具有互連平面內和平面外微通道的兩孔PEGDA芯片，進一步展示HLP的打印能力。HLP中的順序加法和減法模式允許燒蝕跨越多個交聯(lián)層的3D通道。

圖4 打印用戶定義的具有互連平面內和平面外微通道的兩孔PEGDA芯片

如圖5所示，打印了帶有嵌入式微通道的4孔PEGDA芯片，生成的通道是開放的，沒有被碎片堵塞。該過程對細胞無毒，其中接種的細胞可以有效地遷移并在微通道內構成連接。

圖5 帶有孔間微通道的4孔PEGDA芯片的明場圖像

如圖6所示，基于增材CLIP和增材MPP的HLP能夠使用多步和自動加法/加法模式制造3D多尺度結構。

圖6HLP的加法/加法多尺度打印能力

如圖7所示，研究人員構建了一個帶有必要管道連接的新型料槽，可以實現(xiàn)不同材料墨水的高效切換，顯示出HLP具有打印多材料3D結構的能力。

圖7 用于多尺度、多材料制造的料槽和注射泵系統(tǒng)

如圖8所示，研究人員從不同角度證實了HLP技術可以實現(xiàn)多模式、多尺度和多材料的3D水凝膠結構打印。

圖8 多尺度、多材料3D水凝膠結構打印

綜上所述，研究人員設計并開發(fā)了一種新的HLP技術，該技術將飛秒激光的加法交聯(lián)和減法燒蝕模式無縫結合，使難以加工的水凝膠材料實現(xiàn)多尺度、多材料3D結構的打印。與傳統(tǒng)光刻方法相比，具有嵌入式空心微特征的多尺度結構的快速制造展示了HLP的設計靈活性，其分辨率接近光刻所達到的分辨率。在加法/加法和加法/減法模式下打印多材料的能力證明了HLP的制造多功能性。這種能力可用于打印多材料3D水凝膠結構，用于光學、生物醫(yī)學、微流體、微機器人以及其它各種領域。

參考文獻：

Puskal Kunwar,Zheng Xiong,Yin Zhu,HaiyanLi,Alex Filip,Pranav Soman，Hybrid Laser Printing of 3D,Multiscale, Multimaterial Hydrogel Structures，AdvancedOptical Materials

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adom.201900656