De vooruitgang in de ontwikkeling van fotoinitiatoren voor twee-fotonen 3D-printen heeft het mogelijk gemaakt om materialen te creëren met uitstekende biocompatibiliteit en lage cytotoxiciteit. Het gebruik van deze fotoinitiatoren biedt niet alleen betere resultaten op het gebied van fotopolymerisatie, maar ook veelbelovende toepassingen in biomedische en microfabricagegebieden. Dit geldt vooral voor de recente innovaties die gericht zijn op het verbeteren van de oplosbaarheid in water en de fotoinitiatie-eigenschappen van de moleculen zelf.

Een voorbeeld van een recente vooruitgang is de ontwikkeling van een reeks benzylidenecyclanon-dyes door Huang et al., die de oplosbaarheid in water verbeterden door de carboxylzuurgroepen om te zetten in natriumzouten (T1-T3). Deze moleculen vertoonden uitstekende biocompatibiliteit in cytotoxiciteitstests en werden verder geoptimaliseerd door het introduceren van polymeriseerbare dubbele bindingen in hun moleculaire structuren. Deze veranderingen helpen bij het verbinden van de fotoinitiatoren met polymeer matrices, wat niet alleen de mobiliteit van kleine moleculen vermindert, maar ook de biocompatibiliteit van het eindproduct verbetert.

De vooruitgang in de toepassingen van deze fotoinitiatoren strekt zich uit tot de creatie van biosafe materialen die specifiek zijn ontworpen voor toepassingen die een lage toxiciteit voor cellen vereisen. Dit wordt mogelijk gemaakt door het gebruik van laag-mobiele fotoinitiatoren die reageren op zichtbare lichtbronnen. Deze materialen hebben zich bewezen in de fabricage van hydrogels met een lage cellulaire toxiciteit, en hun vermogen om hoge resoluties van 180 nm te bereiken, maakt ze uitermate geschikt voor toepassingen in de medische en elektronische industrie.

Het gebruik van twee-fotonen geactiveerde kathionische fotoinitiatoren heeft ook aanzienlijke vooruitgangen geboekt. Sinds de eerste rapportages in 2000 door Belfield en zijn team is het toepassingsgebied van deze fotoinitiatoren uitgebreid met verschillende innovaties. Zo ontwikkelden Perry et al. in 2002 een fotozuurgenerator die een hoge kwantumopbrengst van fotozuurgeneratie vertoonde. Dit systeem maakt gebruik van een bis[(diarylamino)styryl]benzeenkern met covalent gehechte sulfoniumgroepen en werd in 3D-microfabricage toegepast. Het gebruik van fotozuurgenerators met grote twee-fotonen absorptie (TPA) kruissecties heeft geleid tot de ontwikkeling van geavanceerdere technologieën voor de productie van microstructuren met hoge resolutie.

De recente ontwikkeling van PAG-1 tot PAG-4 door Jin et al. in 2015 heeft bijvoorbeeld bijgedragen aan de verbetering van de fotopolymerisatie-eigenschappen. Deze sulfoniumzouten met een D-π-A-type structuur vertonen zowel lineaire als niet-lineaire absorptie-eigenschappen, wat hen uitstekend geschikt maakt voor toepassingen in twee-fotonen 3D-printen. Door de chemische structuur van deze PAG’s aan te passen, kunnen ze efficiënt worden gebruikt voor het polymeriseren van materialen zoals SU-8 bij een laserfrequentie van 780 nm, waardoor er hogere resoluties kunnen worden behaald.

Het verbeteren van de fotoinitiatoren voor 3D-printtechnieken houdt niet alleen in dat de chemische structuren van de initiatoren worden geoptimaliseerd, maar ook dat de interactie met verschillende fotopolymeren nauwkeurig moet worden afgestemd. Dit is essentieel voor het bereiken van de juiste balans tussen de fotoinitiator en de fotopolymeercomponenten om een optimale prestaties bij microfabricage te garanderen. De juiste keuze van fotoinitiator, in combinatie met de specifieke eigenschappen van de gebruikte fotopolymeren, bepaalt de kwaliteit en de nauwkeurigheid van de geprinte microstructuren.

De toepassingen van deze technologieën strekken zich uit tot verschillende industrieën. De recente ontwikkelingen op het gebied van twee-fotonen fotopolymerisatie bieden bijvoorbeeld de mogelijkheid om gedetailleerde 3D-structuren te maken voor medische implantaten, sensoren en micro-elektronische componenten. Het gebruik van fotoinitiatoren met uitstekende biocompatibiliteit kan zelfs de weg vrijmaken voor toepassingen in de medische wetenschap, waar 3D-printen van cellulaire structuren en implantaten de geneeskunde kan transformeren.

Naast de technische verbeteringen in de fotoinitiatoren, is het van cruciaal belang dat de effecten van de gebruikte fotoinitiatoren op de biocompatibiliteit en toxiciteit van de uiteindelijke geprinte materialen grondig worden bestudeerd. De continuïteit van deze innovaties hangt af van het vermogen om materialen te creëren die veilig zijn voor gebruik in biomedische toepassingen, terwijl ze tegelijkertijd voldoen aan de eisen van nauwkeurigheid en stabiliteit voor technische toepassingen. De mogelijkheid om laag-toxische en biocompatibele materialen te produceren biedt enorme voordelen voor de fabricage van implantaten en andere medische apparaten die in contact komen met biologische systemen.

Wat is de rol van fotopolymerisatie in 3D-printen en hoe beïnvloedt het materiaalontwerp de prestaties van geprinte objecten?

Additive manufacturing (AM), algemeen bekend als 3D-printen, heeft zich de afgelopen decennia ontwikkeld tot een technologie die wereldwijd zowel in de wetenschappelijke wereld als in industrieën als onmisbaar wordt beschouwd. De impact ervan is vooral zichtbaar in de ontwikkeling van materialen en de manier waarop ze in verschillende industrieën worden toegepast. Het proces maakt het mogelijk om complexe ontwerpen sneller te realiseren en op maat gemaakte producten te vervaardigen zonder ingrijpende veranderingen in het productiesysteem. De verschillende technieken die onder de paraplu van 3D-printen vallen, zoals stereolithografie (SLA), fusielagenmodelering (FDM) en selectief lasersinteren (SLS), worden al gebruikt in verschillende sectoren zoals de bouw, medische zorg, elektronica, en de auto-industrie.

Een van de voornaamste voordelen van stereolithografie, en specifiek de toepassing ervan in microfluïdische apparaten, is de mogelijkheid om objecten te creëren met een hoge resolutie en kleine afmetingen. Dit maakt SLA bijzonder geschikt voor het vervaardigen van precisiecomponenten, zoals microfluidische kanalen, die cruciaal zijn in de biotechnologie, laboratoriumapparatuur en medische toepassingen. De techniek biedt veel vrijheid qua ontwerp en biedt de mogelijkheid om producten met sub-micronafmetingen te produceren. Dit komt door het gebruik van fotopolymeren die uitharden wanneer ze aan licht worden blootgesteld, een proces dat bekendstaat als fotopolymerisatie.

Fotopolymerisatie is een kernproces binnen SLA-technologie waarbij een vloeibare hars, meestal op basis van epoxy- of acrylaten, wordt gebruikt. Deze hars bevat een fotoinitiator die reageert op de lichtbron van de printer. Wanneer het laserlicht op de hars schijnt, wordt het polymerisatieproces geactiveerd, wat resulteert in een vaste laag. Dit proces herhaalt zich voor elke laag van het 3D-object totdat het uiteindelijke product is gevormd. De efficiëntie van fotopolymerisatie hangt sterk af van de gebruikte harsen, de lichtbron en de kwaliteit van de fotoinitiators die de polymerisatie aandrijven.

De ontwerpkeuzes die in de resin worden gemaakt, zoals de toevoeging van nanopartikels of andere vulstoffen, kunnen de uiteindelijke materiaaleigenschappen van het geprinte object beïnvloeden. Dit maakt het mogelijk om geprinte objecten aan te passen aan specifieke behoeften, zoals thermische, mechanische of optische eigenschappen. Nanopartikels kunnen bijvoorbeeld de sterkte, de chemische stabiliteit of de optische reactiesnelheid van een object verbeteren, wat cruciaal is voor toepassingen in sensoren of microtechnologische apparaten. Het ontwerp van de hars zelf is daarom van groot belang, aangezien het zowel de kwaliteit van het 3D-geprinte object als de efficiëntie van het printproces beïnvloedt.

Wat betreft de prestaties van geprinte objecten is het van cruciaal belang om de interactie tussen de lichtbron en de hars goed te begrijpen. Niet alle harsen reageren even goed op dezelfde lichtintensiteit of golflengte, wat betekent dat de keuze van de fotoinitiator en de lichtbron een aanzienlijke invloed kan hebben op de uiteindelijke productkwaliteit. De mogelijkheid om verschillende materialen en harsen te combineren in één printproces (multi-material printing) biedt extra flexibiliteit, waardoor verschillende functionele eigenschappen in één object kunnen worden geïntegreerd.

De uitdagingen die gepaard gaan met SLA-technologie zijn niet onbeduidend. Een belangrijke beperking is de behoefte aan een hoogstaande precisie in de printer, die noodzakelijk is om de sub-micronstructuren te verkrijgen die voor veel toepassingen vereist zijn. Bovendien kunnen bepaalde harsen bij langdurige blootstelling aan licht degraderen of krimpen, wat de afmetingen en eigenschappen van het geprinte object negatief kan beïnvloeden. Daarom moet er een zorgvuldige afweging worden gemaakt tussen materiaalkeuze, lichtparameters en de gewenste eigenschappen van het eindproduct.

Er is ook veel potentieel voor de toepassing van SLA in de bioprinting, waar 3D-geprinte structuren worden gebruikt voor het afdrukken van biologische weefsels of orgaanachtige structuren. Dit veld maakt gebruik van bio-compatibele harsen die, na polymerisatie, geschikt zijn voor interactie met levende cellen. De controle over de microstructuur van het geprinte materiaal maakt het mogelijk om weefsels te creëren die de fysieke en chemische eigenschappen van menselijk weefsel nabootsen, wat essentieel is voor de vooruitgang in medische behandelingen en regeneratieve geneeskunde.

Naast de techniek en materiaalkeuze moet de toepassing van SLA in de praktijk verder worden geoptimaliseerd door de afstemming van verschillende procesparameters, zoals de snelheid van het printen en de temperatuur van de hars. Naarmate deze technologie zich verder ontwikkelt, zal het mogelijk worden om steeds complexere en functionelere producten te vervaardigen, die niet alleen op microniveau nauwkeurig zijn, maar ook daadwerkelijk interactie kunnen hebben met hun omgeving, zoals bijvoorbeeld in de vorm van smart materials of zelfherstellende structuren.

Hoe bischalkon-derivaten de efficiëntie van fotoinitiatoren in 3D-printtechnologie verbeteren

Bischalconen, afgeleiden van de monochalkonen, hebben aanzienlijke aandacht getrokken vanwege hun uitgebreide conjugatie die aromatische ringen omvat. Dit resulteert in een rode verschuiving van de lichtabsorptie, wat belangrijke implicaties heeft voor hun toepassing als fotoinitiatoren in 3D-printtechnologie. De meeste van deze bischalkon-derivaten vertonen een sterke absorptie in het blauwgroene spectrum van zichtbaar licht, wat ze bijzonder geschikt maakt voor toepassingen die gebruik maken van LED-lichtbronnen. Wat verder opvalt, is dat substituenten op de carbazoolgroep (zoals bij bisChal-1) een meer uitgesproken rode verschuiving veroorzaken in vergelijking met die welke zijn gesubstitueerd op de aromatische ringen buiten de carbazoolgroep (zoals bij bisChal-2). Dit fenomeen kan de lichtabsorptie verbeteren en het initiëren van fotopolymerisatieprocessen effectiever maken.

Wanneer alle bischalkonen zijn gesubstitueerd op de carbazoolgroep, heeft de N-substituent invloed op zowel de lichtabsorptie als de fotoinitiatiecapaciteit. Van de onderzochte derivaten vertoonde bisChal-6 de hoogste fotoinitiatie-efficiëntie wanneer het werd gecombineerd met Jood (Iod) en ethylendiamine-bisphosphonzuur (EDB), wat resulteerde in een conversie van 98% van PEGDA 400 onder LED-straling bij 405 nm. Een andere bischalkon, bisChal-8, leidde tot een nog hogere conversie van 99%. Beide verbindingen waren gesubstitueerd met R5, wat suggereert dat een langere N-substituentenketen de fotoinitiatiecapaciteit versterkt. De invloed van de ketenlengte van de N-substituent was echter relatief gering voor andere bischalkon-derivaten, zoals bisChal-4 en bisChal-5, die vergelijkbare fotoinitiatie-efficiënties vertoonden. Het effect van de ketenlengte op de lichtabsorptie bleek minimaal, wat erop wijst dat de fotoinitiatiecapaciteit van deze verbindingen voornamelijk afhankelijk is van andere structurele factoren.

Naast de uitstekende fotoinitiatiecapaciteit, bieden deze bischalkon-derivaten ook voordelen met betrekking tot verminderde migratie, wat een belangrijk kenmerk is voor toepassingen waarbij de fotoinitiator niet uit het geprinte object mag migreren. Vanwege hun grotere moleculaire omvang varieerde de migratieratio van de bischalkonen van 0,26% tot 5,52%, wat veel lager is dan de migratie van de commercieel beschikbare fotoinitiator TPO, die 4,3% migratie vertoonde bij vergelijkbare omstandigheden. Het is echter belangrijk op te merken dat de formulering van TPO 2 wt% was, wat resulteerde in slechts een conversie van 58% van PEGDA 400. Dit toont aan dat bischalkon-derivaten aanzienlijk betere prestaties leveren dan TPO in zowel fotoinitiatie als migratiebeperkingen.

De toepassing van deze fotoinitiatoren in 3D-printen heeft ook bewezen zeer effectief te zijn. Een 3D-resine op basis van Chal-22 maakte de creatie van een kruisvorm mogelijk, die tijdens het zwellen en uitdrogen geheugenfuncties vertoonde. In het geval van bischalkonen faciliteerden de varianten van bisChal-4 tot bisChal-8 de creatie van 3D-geprinte letters die de tekst "SCUT" vormden. Deze letters vertoonden een hoge helderheid en scherpte aan de randen, zonder zichtbare breuken, wat wijst op de uitstekende prestaties van bischalkon-derivaten in de context van 3D-printen.

Wat belangrijk is voor de lezer om te begrijpen, is dat hoewel de effectiviteit van deze verbindingen als fotoinitiatoren in veel gevallen duidelijk is, de keuze van specifieke substituenten, evenals de moleculaire structuur van de bischalkon, een cruciale rol speelt in de uiteindelijke prestaties. Het is dus essentieel om zowel de absorptiekenmerken van licht als de fotopolymerisatiekinetiek zorgvuldig in overweging te nemen bij het ontwerpen van nieuwe formuleringen voor fotoinitiators. Verder is het belangrijk om te realiseren dat, hoewel de fotoinitiatie-efficiëntie van bischalkon-derivaten indrukwekkend is, de keuze van de additieven zoals Jood of EDB, en de omstandigheden van de polymerisatiereacties (zoals de lichtbron en de dikte van het te polymeriseren materiaal), bepalend kunnen zijn voor het succes van de polymerisatie.

Hoe de Ontwikkeling van 3D-Printen de Microfluidische Technologie Transformeert

De opkomst van 3D-printen heeft de manier waarop microfluidische apparaten worden vervaardigd, drastisch veranderd. Stereolithografie (SLA) is hierbij de technologie die het meest wordt geprefereerd vanwege de hoge resolutie die het biedt in vergelijking met andere printmethoden, zoals FDM (Fused Deposition Modeling). Dit maakt het mogelijk om microkanalen te creëren die smaller zijn dan ooit tevoren, wat cruciaal is voor toepassingen waarbij precisie en nauwkeurigheid van het hoogste belang zijn. Microfluidische systemen, die vaak worden toegepast in laboratoriumtests, diagnostische apparaten en biomedische toepassingen, vereisen niet alleen geavanceerde materialen, maar ook een fabricageproces dat fijnmazige structuren met een zeer kleine afmeting mogelijk maakt.

Glas wordt traditioneel gezien als het ideale materiaal voor microfluidische chips door zijn uitstekende chemische en thermische stabiliteit. Echter, de recente ontwikkelingen in het gebruik van fluorpolymeren, zoals polytetrafluoroethylene (PTFE), openen nieuwe mogelijkheden. Hoewel PTFE zelf niet geschikt is voor stereolithografie, kunnen PTFE-nanodeeltjes in fotogevoelige harsen worden verwerkt om zo 3D-geprinte microfluidische apparaten te produceren. Het resultaat is een materiaal dat, hoewel niet transparant, uitstekende chemische en thermische stabiliteit biedt. Dit maakt het geschikt voor toepassingen die geen optische detectie vereisen, maar het beperkt wel de inzetbaarheid in toepassingen waarbij zichtbaarheid door de chip cruciaal is, zoals UV-vis spectroscopie.

Een veelbelovende alternatieve benadering betreft het gebruik van perfluorpolyether (PFPE) methacrylaat. Dit materiaal biedt zowel de gewenste optische transparantie als chemische bestendigheid, wat het geschikt maakt voor microfluidische chips die met behulp van SLA 3D-printers worden vervaardigd. In experimenten werd PFPE-methacrylaat gebruikt om microfluidische chips te printen, met kanalen die een minimale doorsnede van respectievelijk 600 µm voor monolithische ingebedde kanalen en 200 µm voor open kanalen hadden. Het geprinte materiaal vertoonde een transmissie van meer dan 70% voor licht in het bereik van 520-900 nm en bood tegelijkertijd een hoge chemische weerstand tegen organische oplosmiddelen.

De microfluidische toepassingen die werden getest, zoals een gradientgenerator, toonden de haalbaarheid van SLA-geprinte apparaten voor verschillende functies, zoals micromenging en isotachoforese. Door het gebruik van deze geavanceerde 3D-printtechnologie kunnen meer robuuste en functionele microfluidische systemen worden ontwikkeld, die de mogelijkheden van de bestaande technologie overstijgen. Dit onderstreept het belang van het verder ontwikkelen van SLA-printtechnieken met materialen die niet alleen geschikt zijn voor hoge resolutie, maar ook voor diverse toepassingen die afhankelijk zijn van chemische stabiliteit, transparantie en precisie.

In de zoektocht naar verbetering hebben onderzoekers zoals Nordin et al. aanzienlijke vooruitgang geboekt in het optimaliseren van zowel de harsformuleringen als de lichtbronnen van SLA-printers. Dit heeft geleid tot de mogelijkheid om microfluidische kanalen te creëren met doorsneden zo klein als 18 µm × 20 µm. Deze prestaties zijn bijzonder relevant voor toepassingen zoals microchip-elektroforese, waarbij uiterst kleine monsters moeten worden geanalyseerd met een detectielimiet in het nanomolar bereik. Het vermogen om zulke nauwkeurige en gedetailleerde structuren te printen opent de deur naar nieuwe diagnostische en biomedische toepassingen, zoals het detecteren van markers voor vroeggeboorte.

Optische transparantie is een ander essentieel aspect bij de productie van microfluidische chips. Het gebruik van materialen zoals glas en PDMS (polydimethylsiloxaan) zorgt ervoor dat de geprinte apparaten optimaal geschikt zijn voor optische detectie. Glasschalen, bijvoorbeeld, bieden de onmiskenbare voordelen van een hoge optische transmissie en uitstekende chemische en thermische weerstand. Het maken van glazen microfluidische apparaten via SLA-printers is nog een relatief recente ontwikkeling. Kotz en zijn team ontwikkelden een SLA-benadering waarbij silica nanocomposieten worden gebruikt om glazen structuren te printen met een resolutie van 60 µm en een oppervlakteruwheid van slechts 2 nm. Dit maakt het mogelijk om zeer precieze en robuuste glazen microkanalen te fabriceren, wat van groot belang is voor toepassingen die afhankelijk zijn van optische detectie en andere analytische technieken.

Het gebruik van PDMS in microfluidica is alomtegenwoordig vanwege de biocompatibiliteit en transparantie, maar het productieproces via traditionele methoden zoals molding is tijdrovend en arbeidsintensief. SLA-printen biedt hier een alternatief, door PDMS te polymeriseren met behulp van een aangepaste harsformulering die het mogelijk maakt om PDMS-apparaten direct te printen. Dit heeft de productie van PDMS-microfluidische apparaten versneld en vereenvoudigd, zonder concessies te doen aan de kwaliteit of functionaliteit.

Een belangrijke vooruitgang in SLA 3D-printen voor microfluidica is de mogelijkheid om multi-materiaal prints te maken. Dit maakt de integratie van verschillende materialen in één apparaat mogelijk, wat de veelzijdigheid van microfluidische systemen vergroot. Het combineren van materialen met verschillende eigenschappen stelt ontwerpers in staat om microfluidische chips te maken die niet alleen functioneel zijn, maar ook aan diverse technische eisen voldoen.

Naast de materiaaleigenschappen en de afdrukresolutie is ook de veelzijdigheid van de gebruikte printer en hars van belang. Terwijl commerciële SLA-printers vaak beperkte materiaalopties bieden, stellen geoptimaliseerde printers en aangepaste harsformuleringen de productie van microfluidische apparaten met unieke eigenschappen mogelijk. Dit vergroot de toepasbaarheid van 3D-geprinte microfluidische systemen in onderzoeks- en industriële omgevingen.

Bij het ontwikkelen van geprinte microfluidische apparaten moet men niet alleen rekening houden met de fysieke eigenschappen van het materiaal, maar ook met de functionaliteit van het apparaat in verschillende omgevingen. De keuze van het materiaal heeft invloed op zowel de prestatie van het apparaat als de toepassingen waarvoor het geschikt is. Transparantie, chemische stabiliteit, thermische weerstand, en mechanische sterkte zijn slechts enkele van de eigenschappen die de effectiviteit van een microfluidisch systeem bepalen.

Hoe De Groei van de Filmindustrie en de Economie van de VS Met Elkaar Verbonden Zijn: Een Data-analyse
Hoe Moleculaire Adsorptie de Optische Bistabiliteit van Koolstofnanobuizen Beïnvloedt
Kan een president unilateraal tarieven opleggen? Juridische grenzen en bevoegdheden
Hoe Cross-Modal Domeinadaptatie werkt in Luchtvaarttoepassingen: Innovaties en Strategieën