Hoe nieuw ontworpen fotoinitiatoren de efficiëntie van twee-foton 3D-printen verbeteren

Het ontwerp en de toepassing van twee-foton fotoinitiatoren (TPIs) spelen een cruciale rol in het succes van twee-foton-geïnitieerde polymerisatie (TPP) voor 3D-printen. Recent onderzoek heeft geleid tot de ontwikkeling van een verscheidenheid aan innovatieve fotoinitiatoren, elk met unieke eigenschappen die de efficiëntie en precisie van dit proces verbeteren. De focus ligt op het creëren van moleculen die kunnen worden geactiveerd door twee fotonen van een laser, wat zorgt voor een hoge resolutie bij het vervaardigen van complexe microstructuren.

Xinyue Guo et al. ontwierpen een reeks carbazole-gebaseerde Schiff-basissen, die uitstekende twee-fotonabsorptie vertonen door lange conjugatielengtes. Deze moleculen bevatten N=C-banden die fungeren als π-bridges, wat de moleculaire architectuur optimaal maakt voor TPI-toepassingen. Daarnaast werd het moleculaire ontwerp verrijkt met verschillende elektrondonoren en acceptoren, wat resulteerde in de structuren D-π-D-π-D en A-π-D-π-A. Deze ontwerpstrategieën hebben geleid tot een verhoogde TPA (twee-foton absorptie) bij 800 nm, wat essentieel is voor de precisie van 3D-printtechnieken.

In vergelijkbare onderzoeken ontwikkelden Qiu et al. drie unimoleculaire TPIs (OEC3-1, OEC3-2 en OEC4), die coumarine-moieties bevatten om de TPA te versterken. Deze TPIs vertoonden aanzienlijk hogere δ-waarden (twee-foton absorptiecoëfficiënt) dan de referentieverbindingen, wat hun potentieel als fotoinitiatoren voor 3D-printen vergrootte. Het gebruik van OEC3-2 resulteerde in een lager drempelvermogen voor polymerisatie, wat de nauwkeurigheid van het 3D-printproces verbeterde, zoals blijkt uit de succesvolle productie van complexe microstructuren.

Daarnaast onderzochten Cao et al. een nieuwe reeks chromoforen (TPAQ, TPABQ, EOQ en EOBQ) die zijn ontworpen om de δ-waarden verder te verbeteren. Deze moleculen vertoonden een verwachte roodverschuiving van de maximale absorptie tussen 350 en 470 nm, wat kan worden toegeschreven aan de uitbreiding van de π-conjugatie. Een adequate graad van π-conjugatie blijkt noodzakelijk te zijn om hoge δ-waarden te bereiken, wat werd bevestigd door de prestaties van TPAQ, die beter presteerde dan de gangbare fotoinitiator benzil in TPP.

In een ander onderzoek presenteerden Pucher et al. een serie kruiselings-geconjugeerde D-π-A-π-D-gebaseerde fotoinitiatoren. De structuren vertoonden een hoog absorptiecoëfficiënt rond 400 nm, met minimale emissie-quantumopbrengsten en relatief brede verwerkingsvensters voor twee-foton-geïnitieerde microfabricage. Deze fotoinitiatoren bleken ideaal voor het fabriceren van fijne microstructuren met een resolutie van ongeveer 250 nm.

Xie et al. onderzochten de capaciteiten van N-carbazolyl dubbele benzylidenen-ketonen (CZ’s) onder een 780 nm nabij-infraroodlaser. Deze nieuwe fotoinitiatoren, vooral H-CZ-N, vertoonden een hoge fotosensitiviteit en uitstekende nanopatronenprestaties. De moleculaire structuur van CZ’s, die zowel elektronen-onttrekkende fluor-groepen als elektronen-gevende N,N-dimethylamino-groepen bevatte, leidde tot verbeterde absorptie en polymerisatie-efficiëntie.

De efficiëntie van deze fotoinitiatoren is niet alleen afhankelijk van hun chemische structuur, maar ook van de afstemming van hun optische eigenschappen. Een goed ontworpen TPI moet een specifieke absorptie in het nabij-infraroodgebied vertonen, wat de absorptie door twee fotonen mogelijk maakt en het energieniveau voor polymerisatie verlaagt. Dit maakt het mogelijk om met lagere laservermogens te werken en toch hoge kwaliteit microstructuren te produceren.

Verder wordt in de recente literatuur ook aandacht besteed aan het belang van moleculaire aanpassing in combinatie met technische toepassingen zoals de productie van fotonische kristallen en gedetailleerde 3D-structuren. Verschillende soorten harsen en initiatoren worden getest om de maximale efficiëntie van het proces te bereiken, wat essentieel is voor de vooruitgang van twee-foton-geïnitieerde 3D-printtechnologieën.

Naast de technische eigenschappen van TPIs, is het voor de lezer ook belangrijk om de implicaties van deze ontwikkelingen voor de industriële en wetenschappelijke toepassingen van 3D-printen te begrijpen. De geavanceerde fotoinitiatoren bieden niet alleen de mogelijkheid om kleinere en complexere structuren te printen, maar openen ook nieuwe deuren voor toepassingen in de medische, optische en elektronische industrieën. De evolutie van twee-foton 3D-printen biedt een bredere horizon voor de fabricage van op maat gemaakte producten, van biocompatibele implantaten tot op maat gemaakte micro-elektronische componenten.

Hoe werkt de 3D-printtechnologie voor biologische toepassingen?

De opkomst van 3D-printtechnologie heeft de deur geopend naar tal van nieuwe mogelijkheden voor de fabricage van complexe structuren, vooral op het gebied van biotechnologie en bio-engineering. Het is duidelijk dat de evolutie van fotonische kristallen, polymeerhydrogels en nanomaterialen een belangrijke rol speelt bij het realiseren van geavanceerde medische en biologische toepassingen. De technologie maakt het mogelijk om gedetailleerde, op maat gemaakte structuren te creëren die zijn afgestemd op specifieke biologische eisen, zoals celgroei, weefselherstel en gerichte medicijntoediening.

De toepassing van twee-foton polymerisatie bij 3D-nanoprinten biedt aanzienlijke voordelen in vergelijking met traditionele methoden. Dit proces maakt het mogelijk om gedetailleerde micro- en nanostructuren te vervaardigen die moeilijk te bereiken zijn met conventionele lithografie. Hierdoor kunnen bio-compatibele materialen, zoals hydrogels, worden geprint in complexe driedimensionale patronen die essentieel zijn voor weefselengineering en andere biomedische toepassingen.

Nanomaterialen spelen hierbij een cruciale rol. In recente studies wordt de productie van 3D-dielectrische fotonische kristallen onderzocht, waarbij titaniumdioxide wordt gebruikt als een lichtbuigende laag in de structuur. Dit materiaal heeft een hoge brekingsindex en biedt unieke eigenschappen voor het ontwikkelen van nieuwe optische componenten, zoals sensoren en resonatoren, die relevant zijn voor medische en biologische toepassingen. Dergelijke innovaties kunnen bijvoorbeeld bijdragen aan het verbeteren van de precisie van beeldvormingstechnieken of het ontwikkelen van geavanceerde sensoren voor biologische monitoring.

Hydrogels, die vaak worden gebruikt voor weefselengineering, kunnen worden vervaardigd met behulp van deze technologieën. Door gebruik te maken van fotopolymerisatie kunnen wetenschappers hydrogels in zeer precieze vormen afdrukken, die vervolgens kunnen worden bevolkt met cellen voor celgroei of het ontwikkelen van orgaanachtige structuren. Deze hydrogels reageren op externe prikkels zoals pH-veranderingen, temperatuur en vochtigheid, wat hen bijzonder geschikt maakt voor het in vitro en in vivo testen van verschillende therapeutische benaderingen.

Een ander belangrijk aspect van 3D-printen in de biotechnologie is het gebruik van magnetisch geleide robots of microstructuren die kunnen worden ingezet voor gecontroleerde medicijntoediening of hyperthermische therapieën. Dergelijke microsystemen kunnen worden gemanipuleerd met behulp van externe magnetische velden, waardoor ze niet alleen geschikt zijn voor therapeutisch gebruik, maar ook voor het verfijnen van de precisie van medische ingrepen.

De toepassingen van 3D-printtechnologie zijn veelzijdig, variërend van het creëren van scaffolds voor weefselherstel tot het ontwikkelen van bio-actieve sensoren en zelfs robots voor minimaal invasieve operaties. Met voortdurende innovaties in de technologie kunnen wetenschappers nieuwe manieren ontdekken om biologisch afbreekbare materialen, zoals polymeercomposieten, te gebruiken om microsystemen te ontwikkelen die zowel biocompatibel als functioneel zijn.

Naast de technische aspecten van 3D-printtechnologie is het essentieel om de chemische en fysische eigenschappen van de gebruikte materialen te begrijpen. De samenstelling van de bio-afbreekbare hydrogels, bijvoorbeeld, heeft invloed op de biologische respons en de duurzaamheid van de geprinte structuren. Het is daarom van cruciaal belang dat de keuze van materialen zorgvuldig wordt afgewogen op basis van de gewenste uitkomsten, zoals de stevigheid van het materiaal, zijn elasticiteit, en zijn vermogen om cellen of weefsels effectief te ondersteunen.

De uitdagingen van het combineren van de precisie van 3D-printen met de biologische vereisten voor weefselengineering en geneeskunde zijn nog steeds aanzienlijk. Echter, de vooruitgang in fotopolymerisatie en de ontwikkeling van nieuwe materialen bieden veelbelovende perspectieven voor de toekomst. Dit stelt onderzoekers in staat om verder te gaan dan de grenzen van traditionele medische technologieën en baanbrekende toepassingen te ontwikkelen die mogelijk het landschap van de gezondheidszorg voor altijd kunnen veranderen.

Wat zijn de belangrijkste uitdagingen en vooruitgangen in 3D- en 4D-printen van biologisch afbreekbare fotopolymeren voor biomedische toepassingen?

Bij het 3D- en 4D-printen van biologisch afbreekbare fotopolymeren voor biomedische toepassingen, zoals implanteerbare medische apparaten en scaffolds, zijn er echter verschillende uitdagingen. Een van de grootste problemen is de viscositeit van de harsen die worden gebruikt voor vat-fotopolymerisatie, een proces dat veel gebruikt wordt voor het 3D-printen van dergelijke producten. Fotoresins voor het 3D-printen van biologisch afbreekbare implantaten en scaffolds bestaan meestal uit fotoinitiators, monomeren of fotopolymeren, en verdunningsmiddelen. Polyesters zoals polycaprolacton (PCL), poly(lactic acid) (PLA) en poly(trimethylene carbonate) (PTMC) hebben veel potentieel voor vat-fotopolymerisatie vanwege hun voordelen bij de synthese van afbreekbare polymeren. Deze polyesters worden vaak gesynthetiseerd via metaal-gecatayseerde ringopeningpolymerisatie (ROP), wat de controle over de structuur en ketenlengte vergemakkelijkt, en daardoor kan worden gecombineerd met fotokruislinkers zoals methacrylaat.

Een ander belangrijk probleem in het 3D-printen van biologisch afbreekbare fotopolymeren betreft de mechanische eigenschappen en de biologische afbreekbaarheid van de geprinte objecten. Polymeren met een hoger moleculair gewicht (MW) kunnen problemen veroorzaken met de printbaarheid vanwege een te hoge viscositeit, wat resulteert in een verminderde sterkte van de geprinte objecten. Bij lagere MW’s zijn de mechanische eigenschappen vaak onvoldoende voor toepassingen die hoge sterkte vereisen, hoewel ze geschikt kunnen zijn voor bijvoorbeeld scaffolds in weefselengineering, waar de mechanische sterkte minder van belang is. De uitdaging ligt in het optimaliseren van de viscositeit zonder afbreuk te doen aan de structurele integriteit van het object.

Daarnaast heeft de afbreekbaarheid van de gebruikte polymeren grote invloed op hun prestaties in biologische omgevingen. Biologisch afbreekbare fotopolymeren moeten zodanig worden ontworpen dat ze gecontroleerd afbreken in het lichaam, wat essentieel is voor toepassingen zoals tijdelijke medische implantaten die na verloop van tijd kunnen worden afgebroken zonder schade aan het omliggende weefsel. De snelheid van de afbraak moet zorgvuldig worden afgestemd op de functionele vereisten van het implantaat, zodat het de gewenste werking kan uitoefenen voordat het langzaam wordt afgebroken.

Verder kan de uitbreiding van 3D-printtechnologie naar 4D-printen de mogelijkheden in de biomedische sector aanzienlijk vergroten. 4D-printen maakt gebruik van de eigenschap van geprinte objecten om hun vorm te veranderen in reactie op externe stimuli zoals temperatuur, vochtigheid of pH. Dit opent de deur naar innovatieve toepassingen in flexibele elektronica en medische apparaten die zich kunnen aanpassen aan de omstandigheden van het lichaam of omgeving. Het gebruik van 4D-technologie kan bijvoorbeeld van groot belang zijn bij de ontwikkeling van slimme implantaten die zich aanpassen aan de belasting of toestand van het lichaam.