3D-printtechnologie, of additieve fabricage, is een proces waarbij objecten in drie dimensies worden gecreëerd door materiaal laag voor laag toe te voegen, vaak met behulp van computerondersteund ontwerp (CAD). Dit proces biedt voordelen ten opzichte van traditionele technieken zoals vormgeving of subtractieve productie, omdat het materiaal- en energieverbruik aanzienlijk lager is en het mogelijk maakt om objecten met complexe geometrieën te vervaardigen. Bovendien is 3D-printen bijzonder geschikt voor toepassingen in de biologie en geneeskunde, aangezien het in staat is om materialen te maken die compatibel zijn met levende systemen.

De technologie werd in de vroege jaren 1980 ontwikkeld voor modelvorming en rapid prototyping. Sindsdien heeft het zich snel ontwikkeld en heeft het brede toepassingen gevonden in tal van industrieën, waaronder engineering, chemie, biologie, geneeskunde en materiaalkunde. Van de verschillende benaderingen van 3D-printen, zijn er enkele belangrijke technieken die het mogelijk maken om biomaterialen te ontwikkelen die direct van invloed kunnen zijn op medische behandelingen en de regeneratie van weefsels.

Een van de meest veelbelovende materialen die wordt gebruikt in de 3D-printtechnologie zijn biograden polymeren, die biologisch afbreekbaar zijn en kunnen worden aangepast om verschillende eigenschappen van het materiaal te beïnvloeden, zoals elasticiteit, sterkte en biocompatibiliteit. Poly(glycerol sebacate) (PGS) is een van de voornaamste polymeren die in dergelijke toepassingen wordt gebruikt. Dit polymeer heeft uitstekende biocompatibiliteit en kan worden afgebroken door het lichaam, wat het ideaal maakt voor gebruik in medische toepassingen zoals zenuwweefselregeneratie.

In de afgelopen jaren zijn er tal van studies uitgevoerd waarin de combinatie van 3D-printen en PGSA (poly(glycerol sebacate methacrylate)) wordt onderzocht om zenuwgeleidingsbuizen te ontwikkelen die helpen bij het herstel van beschadigde zenuwen. Dit type buis fungeert als een geleider voor het groeien van zenuwen, en de eigenschappen van het materiaal kunnen worden aangepast om de regeneratie van zenuwweefsel te bevorderen. De toevoeging van geleidingsmaterialen, zoals de inwendige elektrische geleidbaarheid van PGSA-composieten, kan de regeneratie van zenuwen nog verder verbeteren door elektrische stimulatie te bieden, wat de celgroei en -differentiatie bevordert.

De opkomst van 3D- en 4D-printen heeft nieuwe mogelijkheden geopend voor de ontwikkeling van deze biomaterialen. 4D-printen maakt gebruik van materialen die hun vorm kunnen veranderen in reactie op externe stimuli, zoals temperatuur of pH. Dit betekent dat het mogelijk is om dynamische en adaptieve structuren te creëren die niet alleen het herstel van weefsels bevorderen, maar ook reageren op de specifieke behoeften van de patiënt. Dit biedt een unieke kans om gepersonaliseerde medische behandelingen te ontwikkelen die beter kunnen inspelen op het herstelproces.

Het gebruik van 3D-printtechnologie biedt ook de mogelijkheid om complexere weefsels en structuren na te maken, zoals botten en huid, door het nauwkeurig af te stemmen op de specifieke geometrieën van het menselijk lichaam. Door digitale methoden in te zetten, kunnen deze structuren snel en efficiënt worden geproduceerd, wat de doorlooptijd van medische behandelingen aanzienlijk verkort.

Bij de ontwikkeling van deze geavanceerde biomaterialen is er echter nog steeds veel onderzoek nodig om de langetermijnprestaties en de veiligheid van deze technologieën te waarborgen. Er zijn zorgen over de biocompatibiliteit van sommige materialen op de lange termijn, evenals de mogelijkheid dat de afbraakproducten van deze materialen schadelijk kunnen zijn voor het lichaam. Daarom is het essentieel om bij de ontwikkeling van 3D-geprinte medische hulpmiddelen voortdurend de interactie van het materiaal met het lichaam te monitoren.

Naast de technische vooruitgang zijn er ook belangrijke ethische en maatschappelijke overwegingen bij het gebruik van 3D-printtechnologie in de geneeskunde. Het vermogen om gepersonaliseerde medische hulpmiddelen en implantaten te creëren, roept vragen op over de toegankelijkheid van deze technologie en de mogelijke ongelijkheid in de gezondheidszorg. Bovendien moeten er strikte richtlijnen en reguleringen worden ontwikkeld om ervoor te zorgen dat deze technologieën op een verantwoorde en ethische manier worden toegepast.

Een ander belangrijk punt dat in gedachten moet worden gehouden bij het gebruik van 3D-printtechnologie voor medische toepassingen, is de integratie van machine learning en AI. Deze technologieën kunnen worden ingezet om het ontwerpproces van biomaterialen te optimaliseren, de prestaties te verbeteren en de productie van medische hulpmiddelen te versnellen. Machine learning kan bijvoorbeeld helpen bij het voorspellen van de beste materiaaleigenschappen voor een bepaald type weefsel of orgaan, wat resulteert in een meer gerichte en efficiënte behandeling.

Bij het onderzoeken van de mogelijkheden van 3D- en 4D-printen voor medische toepassingen is het ook belangrijk om te begrijpen dat de technologie nog steeds in ontwikkeling is. Er zijn verschillende technische en logistieke uitdagingen die moeten worden overwonnen, zoals de snelheid van het printproces, de schaalbaarheid van de productie en de kosten van de benodigde apparatuur en materialen. Deze barrières moeten worden aangepakt om ervoor te zorgen dat 3D-printtechnologie een levensvatbare optie blijft voor de toekomst van de medische industrie.

Hoe volumetrische fotopolymerisatie en SLA-printen de toekomst van microfluïdische toepassingen veranderen

Met uitzondering van CLIP heeft de langzame printsnelheid van huidige 3D-printtechnologieën, met name die welke werken op basis van het laag-voor-laag formaat, een groot nadeel. Volumetrische stereolithografie biedt een antwoord op dit probleem, omdat het 3D-objecten produceert als een enkele eenheidsoperatie. Deze relatief nieuwe technologie voor additive manufacturing werd in 2017 voor het eerst ontwikkeld door Shusteff et al., die een printsysteem ontwikkelden door optische velden van drie orthogonale lichtbundels op een fotosensitieve hars te projecteren. Deze benadering maakt het mogelijk om 3D-structuren binnen 1 tot 10 seconden te vervaardigen, zonder de noodzaak voor ondersteunende structuren. Dit systeem is een indrukwekkende verbetering ten opzichte van de traditionele laag-voor-laag methoden, omdat het de mogelijkheid biedt om objecten snel en met hoge nauwkeurigheid te creëren.

Geïnspireerd door de principes van beeldreconstructie die gebruikmaken van computertomografie (CT), ontwikkelden Kelly en zijn collega’s een volumetrische 3D-printmethode genaamd Computed Axial Lithography (CAL), waarmee 3D-printen met hoge snelheid mogelijk werd. Het systeem bestaat uit een DLP-projector en een roterende container voor fotopolymeerhars. Tijdens het printen projecteert de DLP-projector intensiteitsgemoduleerde beelden in een tijdsvolgorde die is gerelateerd aan de rotatiesnelheid van de harscontainer. Dit resulteert in beelden die door het materiaal worden geprojecteerd vanuit verschillende hoeken, waardoor het harsselectief verhardt binnen een bepaald volume. Het systeem was in staat om structuren met een minimale afmeting van 0,3 mm te vervaardigen en objecten van verschillende centimeterschaal binnen 30 tot 120 seconden te produceren. In een vergelijkbaar systeem ontwikkeld door Loterie et al., werd een geïntegreerd feedbacksysteem gecombineerd met de printtechnologie, waardoor de fotopolymerisatiekinetiek over het gehele volume nauwkeurig kon worden gecontroleerd. Hierdoor werd de resolutie van het printsysteem verbeterd tot 80 μm voor positieve en 500 μm voor negatieve structuren binnen minder dan 30 seconden.

Van der Laan en zijn team introduceerden een methode voor fotopolymerisatie met twee kleuren voor volumetrisch printen. Door het gebruik van UV-licht en blauw licht, die afzonderlijk de initiator en inhibitor van de hars activeren, was het mogelijk om objecten te vervaardigen door fotopolymerisatie van het bulkresin. Onlangs demonstreerden Li et al. een dual-wavelength fotopolymerisatie voor volumetrische additive manufacturing. In tegenstelling tot eerdere dual-wavelength benaderingen waarbij de twee projectoren statische patronen projecteerden, omvat deze techniek een dynamische controle van de projectiepatronen van zowel UV- als blauwlichtprojectoren, wat de mogelijkheid biedt om complexere structuren te printen.

SLA-printen heeft zichzelf bewezen als de technologie met de hoogste resolutie van alle beschikbare additive manufacturing (AM) technieken. Terwijl andere technieken een resolutie van 50 tot 200 μm kunnen bereiken, kunnen SLA-printers gemakkelijk kenmerken afdrukken tot een grootte van slechts 20 μm. Dit maakt SLA bijzonder geschikt voor de productie van complexe ontwerpen, zoals die in de biomedische en microfluïdische toepassingen. Een ander voordeel van SLA is dat het de mogelijkheid biedt om objecten te maken die anders meerdere onderdelen nodig zouden hebben, zoals bij traditionele fabricage. Dit maakt SLA niet alleen flexibel, maar ook een effectieve manier om geavanceerde, functionele producten te creëren.

Met betrekking tot microfluïdische apparaten biedt SLA tal van voordelen. SLA-printen stelt onderzoekers in staat om robuuste en hoogwaardige ontwerpen te creëren; bijvoorbeeld, meerdere identieke apparaten kunnen tegelijkertijd worden geprint voor parallelle experimenten. Dit is vooral handig bij het ontwikkelen van microfluïdische apparaten met verschillende testparameters, aangezien SLA ervoor zorgt dat de apparaten zonder variatie kunnen worden gereproduceerd, wat de productie van nauwkeurige en herhaalbare resultaten mogelijk maakt.

Echter, SLA-technologieën hebben ook hun beperkingen. De keuze van commerciële SLA-harsen is relatief beperkt, wat een significante belemmering kan vormen voor de materiaalkeuze. Bovendien kunnen traditionele SLA-printers slechts één materiaal tegelijk uitharden, wat het voor onderzoekers een uitdaging maakt om multi-materiaal prints te realiseren. De geprinte objecten kunnen ook broos zijn en missen mogelijk de sterkte of functionaliteit die nodig is voor gebruik als volledig functionele onderdelen binnen een geïntegreerd apparaat. Vaak worden geprinte objecten beschouwd als conceptuele prototypes in plaats van functionele componenten. Dit beperkt de brede industriële toepassingen van geprinte delen en materialen.

Daarnaast kunnen veel commerciële resins slecht bestand zijn tegen gangbare organische oplosmiddelen en aquatische media, wat kan leiden tot zwelling van de geprinte objecten. Dit kan problemen veroorzaken, vooral wanneer nauwkeurige microfluïdische kanalen betrokken zijn, aangezien de fysische eigenschappen van de materialen invloed kunnen hebben op de prestaties van het apparaat. Het is ook belangrijk om te erkennen dat de transformatie van een CAD-ontwerp naar een 3D-geprint object soms onvoorziene fouten en defecten kan veroorzaken, vooral bij het afdrukken van complexe, gebogen oppervlakken.

Hoewel transparante materialen zoals polydimethylsiloxaan (PDMS) vaak gebruikt worden voor optische toepassingen, kunnen ze in SLA-printen een probleem vormen, omdat de meeste "heldere" 3D-printmaterialen semi-transparant of translucide zijn. Dit bemoeilijkt het gebruik van dergelijke materialen voor optische apparaten, die vaak hoge eisen stellen aan de optische helderheid en precisie.

Hoe kan de fotopolymerisatie in stereolithografie (SLA) 3D-printen worden geoptimaliseerd voor microfluïdische toepassingen?

In de context van stereolithografie (SLA) 3D-printen speelt de fotopolymerisatie van resin een cruciale rol in de vorming van microfluïdische apparaten. De dosering van licht die op elke laag wordt toegepast, bepaalt de mate van uitharding van de resin. De normaal genormaliseerde dosis, aangeduid als Ω(z,t), wordt beïnvloed door zowel de dikte van de geprinte laag als de tijdsduur van de blootstelling aan licht. Dit heeft directe gevolgen voor de kwaliteit van de structuren die geprint worden, vooral wanneer er interne kanalen of holtes moeten worden gecreëerd.

Het proces van fotopolymerisatie wordt gekarakteriseerd door de parameter γ = z/z1, waarbij z de afstand binnen de resinlaag is en z1 de dikte van de geprinte laag. De resulterende dosis, Ωn, kan worden berekend als een som van de doses over alle lagen, zoals geïllustreerd in de formule Ω(γ, t1) = δnΩn. Hierin staat δn voor de Kronecker-delta, die de positie van een intern kanaal binnen de lagen beschrijft. Als de totale dosis Ω groter is dan 1, wordt de laag als volledig uitgehard beschouwd; anders wordt deze als niet-uitgehard aangemerkt. Dit fenomeen wordt verder beïnvloed door de specifieke belichtingstijd en de eigenschappen van de gebruikte resin.

Bij het ontwerpen van microfluïdische structuren via SLA is het cruciaal om de balans tussen over-uitharding en de hechting van lagen goed te beheren. Een voorbeeld is het printen van een object met een kanaal dat zich over verschillende lagen uitstrekt. Als de dosis in een bepaalde laag te hoog is, kan het leiden tot ongewenste over-uitharding, waardoor de binnenkant van het kanaal gedeeltelijk wordt uitgehard, wat de gewenste geometrie van het kanaal aantast. Dit kan worden verholpen door de laagdikte aan te passen, hoewel dit vaak beperkingen met zich meebrengt met betrekking tot de uiteindelijke kwaliteit van de geprinte structuur.

Een andere belangrijke overweging is het gebruik van de juiste fotoblokker-concentratie in de resin. In commerciële resinformuleringen is de hoogte van de fotoblokker vaak vastgelegd, waardoor deze niet eenvoudig kan worden aangepast om over-uitharding te voorkomen. Het verhogen van de laagdikte is een alternatieve aanpak, maar dit kan leiden tot problemen met interlaaghechting en inconsistenties in de mechanische eigenschappen van het uiteindelijke product. In gevallen waar de laagdikte te groot is, kan de variatie in lichtblootstelling tussen lagen groter zijn, wat resulteert in slechte hechting tussen lagen en een vermindering van de structurele integriteit.

In de praktijk zijn er tests uitgevoerd waarbij verschillende laagdiktes werden geanalyseerd om de effecten op de kwaliteit van de geprinte kanalen te beoordelen. Bij het gebruik van de kleinste laagdikte (10 μm) bleek het kanaaloppervlak glad en zonder zichtbare scheidingen tussen de lagen, wat wijst op een betere interlaagadhesie en minder esthetische defecten. Bij grotere laagdiktes (bijvoorbeeld 50 μm) werd een grotere variatie in lichtblootstelling waargenomen, wat leidde tot een slechtere afwerking van de kanaalwanden en een minder gladde structuur.

De ontwikkeling van nieuwe materialen voor SLA 3D-printen speelt ook een essentiële rol in de verdere optimalisatie van dit proces voor microfluïdische toepassingen. De huidige materialen zijn vaak gebaseerd op acrylaten, die onvoldoende bestand zijn tegen hoge temperaturen en organische oplosmiddelen. Dit beperkt hun bruikbaarheid voor toepassingen die stabiliteit bij hogere temperaturen vereisen of voor chemische analyses waarvoor dergelijke oplosmiddelen nodig zijn. Een mogelijke oplossing is het gebruik van composietmaterialen, zoals het disperseren van keramische deeltjes in acrylaten. Deze aanpak vereist echter dat de keramische deeltjes goed gedispergeerd blijven in de resin, omdat aggregatie of neerslag kan leiden tot een ongelijke verdeling van de deeltjes en daarmee de kwaliteit van de geprinte onderdelen nadelig beïnvloeden.

De toepassing van preceramische polymeren in combinatie met SLA biedt ook mogelijkheden voor het verbeteren van de thermische en chemische weerstand van de geprinte structuren. Dit kan worden bereikt door het gebruik van een mengsel van methylsilsesquioxaan preceramische polymeren die, na een verhitting bij hoge temperaturen, worden omgezet in siliciumcarbide (SiC), een materiaal dat beter bestand is tegen hoge temperaturen en chemische stoffen. Het gebruik van dergelijke preceramische polymeren maakt het mogelijk om onderdelen te printen die bestand zijn tegen de vereisten van meer veeleisende microfluïdische toepassingen, zoals chromatografie of analytische technieken die agressieve oplosmiddelen vereisen.

Het optimaliseren van de fotopolymerisatie in SLA-printen is van groot belang voor het succes van microfluïdische apparaten. De keuzes die gemaakt worden met betrekking tot laagdikte, printtijd en materiaalkeuze moeten zorgvuldig worden afgewogen om de gewenste structuren te creëren, waarbij rekening wordt gehouden met zowel de esthetische als functionele eigenschappen van het uiteindelijke product. De voortschrijdende technologieën en de ontwikkeling van nieuwe materialen bieden echter veelbelovende mogelijkheden voor de toekomst van SLA in de microfluïdische technologie.

Wat zijn de belangrijkste componenten van fotolak en hun rol in femtoseconde-laser-gebaseerde niet-lineaire lithografie?

In de wereld van additive manufacturing, specifiek bij femtoseconde direct laser schrijven (fs-DLW), speelt fotolak een cruciale rol in het realiseren van fijn gecontroleerde structuren. Deze technologie maakt gebruik van negatieve fotolak, waarmee men hoopt zeer gedetailleerde en nauwkeurige structuren te vervaardigen op specifieke locaties. Fotolak bestaat over het algemeen uit twee basiselementen: monomeren of een mengsel van monomeren en oligomeren, die de basis vormen voor het vormen van polymeren, en een fotoinitiator die fotonen absorbeert die door een laserstraal worden geproduceerd, om actieve radicalen te genereren die de polymerisatie opstarten. Deze stoffen kunnen organische materialen omvatten, zoals SU-8, fotosensitieve hybride materialen, hydrogels, natuurlijke polymeren en eiwitten.

De ontwikkeling en verbetering van fotolak bepalen in grote mate de voortgang van TPP-gebaseerde niet-lineaire lithografie en de toepassingen ervan. Een goed begrip van de verschillende fotolakmaterialen is essentieel om de mogelijkheden van deze technologie volledig te benutten.

In de loop der jaren hebben organische polymeren een steeds bredere toepassing gevonden, van geavanceerde technologieën tot alledaagse voorwerpen. De ontwikkeling van fotopolymeren heeft geleid tot het ontstaan van materialen die specifiek geoptimaliseerd zijn voor de fabricage van 3D-structuren. Monomeer-eenheden kunnen onder invloed van externe prikkels worden omgezet in grote netwerkstructuren, waardoor fotopolymerisatie, vaak in de vorm van kettinggroei, optreedt. Een van de vroegste fotolakmaterialen was het gebruik van acrylaten als monomeren voor polymerisatie. Deze werden gemengd met fotoinitiators om een fotolak te creëren die geschikt was voor microstructuurfabricage.

In 1997 publiceerden Maruo et al. hun bevindingen over het gebruik van urethaan acrylaatmonomeren in combinatie met fotoinitiatoren om fotolak te genereren voor het vervaardigen van spiraalvormige microstructuren. Dit markeerde de eerste keer dat acrylaten werden gebruikt in DLW-gebaseerde additive manufacturing. Sindsdien is dit type materiaal, vanwege de lage kosten en de gemakkelijke beschikbaarheid, op grote schaal toegepast in fotopolymerisatieprocessen.

In 2008 lieten Tayalia et al. zien hoe het mengen van SCR368 en SR400 in een bepaalde verhouding, met toevoeging van fotoinitiatoren, leidde tot een resin die met succes gebruikt werd voor de fabricage van 3D extracellulaire matrices voor cellulaire adhesie en migratieonderzoek. Deze doorbraak opende de deur naar meer precieze en onafhankelijke controle over architecturale parameters bij het vervaardigen van complexe biomaterialen.

Recentere ontwikkelingen hebben geleid tot de ontdekking dat verschillende soorten methacrylaat fotopolymeriseerbare monomeren, zoals urethaan dimethacrylaat en poly(ethylene glycol) diacrylaat, ook kunnen worden ingezet als zeer efficiënte fotolak voor fs-DLW. Deze materialen hebben geleid tot de productie van geometrische structuren van uiteenlopende afmetingen en schaalgrootten met een zeer hoge resolutie. De technologische vooruitgang heeft ervoor gezorgd dat steeds complexere structuren vervaardigd kunnen worden met een precisie die voorheen ondenkbaar was.

Een ander belangrijk type fotolak is SU-8, een epoxy-gebaseerde negatieve fotolak die veel wordt gebruikt in additive manufacturing. Het belangrijkste voordeel van SU-8 is dat het een zeer hoge chemische weerstand en thermische stabiliteit biedt na polymerisatie, wat het uitermate geschikt maakt voor gebruik in verschillende lithografische technologieën. SU-8 is bijzonder waardevol geworden in toepassingen zoals microfluïdische constructies, micro-elektromechanische systemen en biotechnologische toepassingen, vooral in combinatie met twee-foton polymerisatie (TPP). In deze toepassingen zijn bijvoorbeeld complexe microkanalen en zelfs micro-biorobots ontworpen voor het vervoer van doelgerichte cellen.

Naast de traditionele organische polymeren zijn hybride fotogevoelige harsen een veelbelovende richting. Met de voortdurende vooruitgang in TPL-technologie is er steeds meer belangstelling voor het ontwikkelen van materialen die niet alleen uit organische polymeren bestaan, maar die ook ongebruikelijke optische, magnetische en piezo-elektrische eigenschappen bezitten. Dit is van bijzonder belang voor toepassingen op het micro- en nanoschaal. Hybride composieten bieden de mogelijkheid om materialen te creëren die zowel de voordelen van organische polymeren als die van anorganische componenten combineren.

Een van de meest bestudeerde hybride materialen is ORMOCER, een commercieel siliconen-gebaseerde fotolak die bekend staat om zijn hardheid, chemische stabiliteit en thermische stabiliteit. Dit materiaal wordt veel gebruikt in fotonische toepassingen en heeft de voordelen van zowel organische netwerken als anorganische componenten, wat resulteert in een superieure prestatie in vergelijking met pure organische of anorganische materialen. De combinatie van organisch en anorganisch materiaal maakt het mogelijk om complexe 3D-structuren te produceren die anders moeilijk te verkrijgen zouden zijn.

Bijvoorbeeld, Ovsianikov et al. gebruikten een sol-gel technologie om een Zr-bevattende acrylhars te creëren, wat resulteerde in fotolakmaterialen die, na verhitting en pyrolyse, keramische eigenschappen vertoonden. Dit soort hybride fotolakken biedt een veelbelovende benadering voor het fabriceren van keramische structuren op nanoschaal, iets wat traditioneel moeilijk te realiseren was. Deze ontwikkelingen kunnen de weg banen voor het gebruik van keramische materialen in geavanceerde toepassingen, zoals in de fotonica en andere technologieën die hoogwaardige materialen vereisen.

De vooruitgang in de fotolakmaterialen heeft dus niet alleen geleid tot betere prestaties in termen van resolutie en complexiteit van de structuren die vervaardigd kunnen worden, maar heeft ook de deur geopend naar het gebruik van nieuwe materialen met speciale functies. Het is van belang dat het begrip van de werking van deze fotolakken verder wordt verdiept om de mogelijkheden van TPP en andere geavanceerde lithografische technieken te maximaliseren.

Hoe wordt rechtvaardigheid voorgesteld in de vroege moderne literatuur?
Wat zijn de eigenschappen van stationaire responsen in systemen met brede-bandige ruis?
Hoe wordt de drempel van Raman-siliciumlasers verlaagd door miniaturisatie en ontwerpoptimalisatie?
Wat maakt MEMS-technologie belangrijk voor veelzijdige toepassingen?
Hoe worden negatieve sequentie-reactantie en subtransiënte capaciteit verklaard in een synchroon generator?