Djupet på ljuspenetrationen är särskilt viktigt vid utskrift av intrikata mönster och geometrier. Detta förhindrar överhärdning av hartset i z-riktningen, vilket förbättrar den övergripande upplösningen på den utskrivna delen. Användningen av foto-blockerare är avgörande för att minska penetrationsdjupet, vilket gör det möjligt att skriva ut tunnare lager och ge bättre kontroll över z-upplösningen. Detta ger möjlighet att skapa strukturer som annars inte skulle vara möjliga att skriva ut. Forskning har visat att tillsatsen av en foto-blockerare som 2-ethyl-9,10-dimethoxyantracen (EDMA) vid en koncentration på 2 viktprocent minskade penetrationsdjupet med nästan en faktor fyra. På samma sätt har Sudan Orange och stilbenderivat som 1,4-bis(2-dimetylstyry)benzen (BMSB) använts som foto-blockerare i en rad olika hartsformuleringar. Dessa blockerare är viktiga för att uppnå de mikroskopiska flödeskanaler som krävs för mikrofluidiska enheter, särskilt när kanaler med dimensioner så små som 18 μm × 20 μm behövs. För detta ändamål har 2-nitrofenylfenylsulfid (NPS) använts som UV-absorberande ämne, vilket ytterligare bidrar till att minimera ljuspenetration och kontrollera härdningsprocessen.

Resinets viskositet spelar en avgörande roll för att uppnå framgångsrika utskrifter. Harts med för hög viskositet eller med hög fillerbelastning saknar det flöde och vätningsegenskaper som är nödvändiga för att uppnå hög upplösning. En ökning av viskositeten påverkar flödesdynamiken och interfererar med vätningsegenskapen hos substratet, vilket ökar den mekaniska kraften som krävs för att lyfta byggplattformen. För att hantera viskositeten kan ibland lösningsmedel (diluents) användas. För utskrifter med hög upplösning måste dessa lösningsmedel vara reaktiva med hartsens föregångare men förbli icke-reaktiva vid lagring. Till exempel kan 1,6-hexandioldiacrylat användas för att avsevärt minska viskositeten hos harts när keramiska fyllmedel används. Prematur gelering av härdningsföregångare kan dock orsaka problem, och inhibitorer som Butylated Hydroxytoluene (BHT), pyrogallol och metoxihydrokinon (MEHQ) används för att förhindra detta. Dessa inhibitorer tillsätts i hartset i koncentrationer mellan 50 och 200 ppm.

I SLA-processen är resinens optiska egenskaper också av stor vikt. SLA kan beskrivas som en serie sekventiella fotopolymerisationsprocesser, byggda upp i lager. För att uppnå små utskriftsdimensioner i z-riktningen, inklusive möjligheten att skapa slutna kanaler med små tvärsnittsarea, är det avgörande att förstå och kontrollera härdningsprocessen. SLA-harts består vanligtvis av en multifunktionell monomer, en fotoinitiator och en foto-blockerare för att begränsa ljuspenetrationen. Vid en given djup i det härdande hartset minskar ljusintensiteten exponentiellt, vilket innebär att fotopolymerisationshastigheten också minskar med djupet. Tillförseln av foto-blockerare förstärker denna ljusattenuering, vilket gör att polymeriseringen är mer koncentrerad vid ytan av hartset. Modellen för fotopolymerisation ger en analytisk lösning baserad på antaganden om jämnt fördelad fotoinitiator, inga termiska eller massöverföringseffekter och ingen beaktande av fotoblekning.

För att skapa mikrofluidiska enheter är det inte bara de fysiska och kemiska egenskaperna hos resin som spelar roll, utan också den exakta kontrollen över fotopolymerisationens hastighet och dess djupverkan i hartset. Ju bättre kontroll man har över denna process, desto finare och mer detaljerade mikrostrukturer kan skapas, vilket är avgörande för tillämpningar som mikrofluidik.

Det är också viktigt att förstå att de flesta monomerer som används inom SLA är multifunktionella, vilket innebär att de har flera reaktiva grupper. Detta gör att polymerisationen sker snabbare och kan ge mer komplexa strukturer, men också innebär att exakt kontroll är nödvändig för att undvika oönskade biverkningar som för tidig gelering eller ojämn härdning. Ett avgörande begrepp här är den kritiska konversionen, där hartset når en punkt då polymerisationen solidifierar materialet. Denna punkt är beroende av monomerens funktionalitet, som definieras av antalet reaktiva grupper varje monomer kan reagera med. För att undvika oönskade effekter på de strukturer som byggs, måste konversionen noggrant övervakas under processen.

Genom att optimera både hartsets optiska och fysiska egenskaper kan SLA-teknologin användas för att skapa extremt små och detaljerade enheter, vilket gör det möjligt att nå nya tillämpningar och precisioner inom områden som mikrofluidik och bioteknik.

Hur förbättras precisionen i 3D-bioprinting av biomaterial genom modifiering av biobläck?

I takt med att 3D-bioprinting av biomaterial utvecklas, ställs forskare inför flera tekniska utmaningar. En av de största hindren är de fysikaliska egenskaperna hos biobläck, som ofta innebär hög viskositet. Till exempel är GelMA (gelatinmetakrylat) ett vanligt använt biobläck, men dess höga viskositet gör det svårhanterligt i vat-fotopolymerisering, vilket kräver högt extruderingstryck och leder till en minskning av upplösning och precision. För att lösa detta problem har man använt Hofmeisters ioneffekt, en metod som minskar viskositeten i gelatinbläck med hög koncentration, vilket gör det möjligt att upprätthålla högre precision i 3D-utskrifterna. Detta gör det möjligt att använda GelMA i exempelvis utskrifter av tandkött (fig. 5.8), vilket förbättrar både kvalitet och tillämpning av materialet inom dentalteknik och andra medicinska applikationer.

Men även om Hofmeisters ioneffekt hjälper till att kontrollera viskositeten, finns det ytterligare problem som måste lösas. En betydande utmaning är den långsamma tvärbindningen av GelMA, vilket ofta hämmas av upplöst syre, vilket orsakar den välkända syrehämmningseffekten i radikalpolymerisering. Detta problem kan övervinnas genom att öka UV-ljusdoseringen, men denna metod är inte idealisk eftersom den potentiellt kan skada cellerna i de utskrivna strukturerna. För att undvika denna skada har den UV-initiated thiol-ene klickreaktionen kommit fram som ett lovande alternativ. Till skillnad från konventionell kedjepolymerisation, innebär thiol-ene reaktionen en snabbare polymerisering, mer homogena nätverk och förbättrad cellöverlevnad. Genom att använda GelNB (norbornene-modifierad gelatin) kan man skapa fotopolymeriserade 3D-strukturer som förbättrar cellens överlevnad, proliferation och differentiering, vilket gör det till ett utmärkt alternativ för vävnadsingenjörsapplikationer (fig. 5.9).

Förutom gelatin finns det andra biokompatibla material som används inom 3D-bioprinting, såsom kollagen, som är det mest förekommande proteinet i däggdjur och en viktig komponent i bindvävnad. Metakrylerat kollagen, som kan syntetiseras genom en reaktion mellan kollagen och metakrylsyranydrid, kan användas för att skapa 3D-tryckta konstruktioner. Trots att dessa konstruktioner har god strukturell styvhet, är de fortfarande mekaniskt svaga och kräver ytterligare tvärbindning för att förbättra hållfastheten. Användningen av fotoinitiatorer som I2959 eller VA-086 under UV-exponering möjliggör tvärbindning av kollagenfibrerna för att skapa cellbärande 3D-strukturer.

En annan intressant biokomponent är bovint serumalbumin (BSA), ett vattenlösligt globulärt protein som har en negativt laddad yta och därmed utmärkt löslighet i vatten. Detta gör BSA idealiskt för SLA (stereolitografi) 3D-utskrift. Genom att modifiera BSA med metakrylsyra kan man skapa fotopolymeriserbara material som efter termisk härdning ger förbättrade mekaniska egenskaper, vilket gör dem användbara för att skapa biologiskt aktiva 3D-strukturer.

Silkesfibrin (SF), som härstammar från silkesmasken Bombyx mori, har också använts för en rad biomedicinska tillämpningar. Med sin biokompatibilitet, nedbrytbarhet och förmåga att främja celladhesion och proliferation, är SF ett lovande material för vävnadsregenerering. Genom att metakrylera SF med glycidylmetakrylat (GMA) kan man skapa 3D-utskrivna SF-hydrogeler som främjar cellöverlevnad och differentiering, vilket gör dem användbara för broskregenerering.

Dessutom kan växtbaserade proteiner, som sojaproteinisolat (SPI), användas för att skapa 3D-printbara fotokorsbundna strukturer. SPI är attraktivt för biomedicinska applikationer på grund av dess låga immunogenicitet och goda bearbetningsegenskaper. Eftersom SPI innehåller tyrosin, en aminosyra som kan användas för foto-korsbindning, är det ett lovande material för tillverkning av hybrid- och fotopolymeriserbara strukturer för vävnadsingenjörsapplikationer.

När det gäller polysackarider är chitosan ett naturligt biomaterial som har visat sig vara mycket lovande för biomedicinska tillämpningar. Chitosan är nedbrytbart, biokompatibelt och främjar vävnadsregenerering. Genom att metakrylera chitosan kan man skapa fotopolymeriserbara material som kan användas för att skapa 3D-utskrivna stödstrukturer för benvävnad. Även alginat, ett polysackarid som härrör från tång, kan modifieras för fotopolymerisering och användas i bioprinting av komplexa 3D-strukturer.

Det är viktigt att förstå att trots den imponerande tekniska utvecklingen inom området 3D-bioprinting, är det fortfarande en pågående process att förbättra dessa material för att skapa funktionella och hållbara vävnader. Den stora utmaningen är inte bara att skapa den önskade geometrin eller strukturen, utan också att säkerställa att de utskrivna vävnaderna är biologiskt aktiva och kan interagera med kroppens celler på ett sätt som främjar deras funktion. För att uppnå detta krävs noggrant val av material, optimering av polymeriseringsprocesser och kontroll över mikrostrukturen i de utskrivna objekten.

Hur 3D-utskrift kan främja regenerering av mjukvävnad och ben

3D-utskrift av biomaterial har öppnat nya möjligheter för att reparera och regenerera både ben- och mjukvävnader, vilket tidigare varit en stor utmaning inom medicinsk teknologi. För att stödja läkning och återuppbyggnad av skadad vävnad, har en mängd olika biomaterial och metoder utvecklats som gör det möjligt att skapa exakta, funktionella strukturer för olika typer av vävnader. Dessa teknologier gör det möjligt att integrera levande celler, biomaterial och biologiska signaler i tryckta strukturer, vilket i sin tur främjar vävnadsregenerering. Ett område som har haft särskilt stor nytta av denna teknik är regenerering av mjukvävnad, inklusive hud, brosk och vaskulariserad vävnad.

En av de mest lovande tillämpningarna är regenerering av hud. Huden, särskilt dermis, har en begränsad förmåga till självhelande vid skador, vilket gör att externa lösningar behövs. Genom 3D-utskrift kan celler som är inneslutna i biomaterial skapa en ny extracellulär matrix (ECM) som stöder hudens återuppbyggnad. En metod som använts för detta syfte är pektinbaserade 3D-strukturer som förbereds genom 3D-utskrift och jonisk tvärbindning. Dessa tryckta konstruktioner stöder avsättning av endogen ECM, som är rik på kollagen och fibronectin, och som är nödvändigt för att generera biomimetiska hudkonstruktioner. Detta skapar en struktur som efterliknar naturlig hud och som kan användas vid behandling av stora brännskador eller andra allvarliga hudskador.

För broskregenerering är situationen mer komplex, eftersom brosk inte har någon blodtillförsel och har en dålig förmåga att självregenerera efter skada. Broskskador orsakas ofta av trauma, sjukdomar eller sportolyckor, och de tenderar att läka långsamt. 3D-bioprintning erbjuder en lösning genom att integrera levande celler, biomaterial och biologiska signaler som en del av en skräddarsydd biologisk matris. GelMA-baserade cellbelagda broskvävnadsstrukturer har visat sig stödja hög cellöverlevnad och en hög proliferationshastighet, vilket indikerar deras potential för broskreparation. För att ytterligare förbättra utskriftsförmåga och cellproliferation har en foto-härdbar alginat/gelatin/chondroitinsulfat-komposit skapats via 3D-utskrift, vilket också har visat positiva resultat för broskregenerering.

Ett annat lovande tillämpningsområde för 3D-bioprintning är tillverkningen av vaskulariserade vävnader. För att effektivt kunna regenerera större vävnadsområden, såsom organ, krävs en fungerande blodcirkulation. Här kan 3D-utskrivna hydrogeler med inbäddade mikrovaskulära kanaler främja angiogenes (blodkärlsbildning) och stödja cellers adherens och spridning inom kanalerna, vilket leder till skapandet av vaskulariserade vävnader. Denna metod används både för grundläggande forskning om vaskularisering och för utvecklingen av organ-on-a-chip enheter som kan användas i sjukdomsmodellering.

Regenerering av nervvävnad är också ett område som får allt mer uppmärksamhet. Neurodegenerativa sjukdomar orsakar ofta irreversibla skador på nervsystemet, vilket gör behandlingar utmanande. En alternativ strategi som utforskas är att leverera celler till specifika platser i kroppen och skapa ett mikromiljö som kan få cellerna att differentiera till funktionella neuronala nätverk. 3D-bioprintade GelMA-baserade hydrogeler, kombinerat med multiferroiska nanopartiklar, kan fungera som en bärare för neuronliknande celler, vilket gör det möjligt att styra dessa celler till rätt plats i kroppen. Denna metod har potential att revolutionera behandlingen av centrala nervsystemets skador och sjukdomar.

3D-utskrift används även för att förbättra reparationen av inre organ såsom njurar och lever. Decellulariserade vävnader som behåller den ursprungliga ECM-strukturen kan användas för att skapa bioink som efterliknar den naturliga ECM-miljön. Dessa hydrogeler kan användas för att accelerera vävnadsbildning, och de har visat lovande resultat vid njurregenerering. Detta innebär att vi snart kan se fram emot en mer effektiv behandling av organer som tidigare var svåra att reparera.

För att uppnå de optimala resultaten inom dessa områden är det viktigt att förstå att varje vävnad och varje typ av skada kräver en specifik strategi, både i fråga om biomaterial och utskriftsmetoder. 3D-bioprintning är inte en universallösning, utan en teknik som måste anpassas för att möta de unika behoven hos varje vävnadstyp. Det är också avgörande att fortsätta forska på och utveckla metoder för att integrera funktionella blodkärl och nervbanor i de tryckta vävnaderna, eftersom detta är en förutsättning för att större vävnadsområden ska kunna regenereras effektivt.

Hur fungerar aminer och iodoniumsalter i fotopolymerisering för 3D-utskrift?

I den senaste forskningen om fotoinitiatorsystem för 3D-utskrift har komplexet CTC (charge transfer complex) mellan aminer och iodoniumsalter visat sig vara en lovande lösning för att initiera polymerisationsprocesser. CTC, som består av en elektronrik amin (donator) och en elektronfattig iodoniumsalt (acceptor), har potentialen att effektivt absorbera ljus och omvandla denna energi till kemiska reaktioner som katalyserar polymerisering, vilket är avgörande för 3D-utskriftsprocesser.

Ett av de mest undersökta exemplen på CTC-system är kombinationen av NPG (en amin) och Iod (iodoniumsalt), där NPG fungerar som donator och Iod som acceptor. I dessa system observeras en så kallad "redshift" i ljusabsorption, vilket innebär att absorptionsspektrumet flyttas från UV-området (under 400 nm) till synligt ljus (över 400 nm). Denna förändring gör att systemet kan aktiveras med blått ljus, vilket är praktiskt för moderna 3D-utskriftsmetoder som använder LED-ljus vid specifika våglängder, till exempel 405 nm. Detta är en betydande förbättring, eftersom traditionella fotoinitiatorer kräver UV-ljus, vilket har begränsade tillämpningar och kan vara skadligt.

En noggrann undersökning av aminer och iodoniumsalter visade att strukturen på aminerna påverkar hur effektivt CTC-komplexet fungerar. Till exempel har Am1 och Am2 (som representerar olika fenylaminstrukturer) visat sig vara de mest effektiva när de kombineras med Iod, vilket resulterar i snabbare polymeriseringstider och högre konversioner av dubbelbindningar. Am1/Iod och Am2/Iod uppvisade särskilt goda resultat vid fotopolymerisering av specifika hartser, där Am1/Iod hade den högsta effektiviteten för fotoinitiation, vilket innebär att den snabbast aktiverade polymerisering vid exponering för blått ljus. Detta gjorde det möjligt att minska polymeriseringstider från flera minuter till under en minut.

En annan intressant aspekt är användningen av makro-acceptorer som iodiniserad polystyren (PSI) i stället för traditionella små iodoniumsalter. PSI har en större molekylvikt och kan därför bidra till att minska migrationseffekter under polymeriseringsprocessen, vilket är ett vanligt problem med mindre molekyler. Detta resulterade i en ännu bredare ljusabsorption från 200 till 400 nm, vilket ytterligare förbättrade 3D-utskriftsprocessens prestanda genom att tillåta användning av en ännu mer effektiv fotoinitiator vid specifika ljusvåglängder.

Förutom användningen av aminer och iodoniumsalter som donatorer och acceptorer, har fosfinadditiv också undersökts som ett alternativ till aminer. Fosfiner är också elektronrika och kan effektivt delta i CTC-komplex genom att bidra med sina elektronpar. Flera fosfinbaserade föreningar har testats i dessa komplex, och resultaten har visat på en ännu större redshift-effekt i ljusabsorptionen, vilket gör att dessa system fungerar bra vid längre ljusvåglängder, särskilt inom det synliga ljusområdet. Detta ger nya möjligheter för fotopolymerisering och 3D-utskrift, där ljus vid synliga våglängder kan användas för att initiera polymerisation utan att behöva förlita sig på UV-ljus.

Dessa CTC-system för fotopolymerisering i 3D-utskriftsapplikationer har öppnat nya vägar för att optimera både polymeriseringstid och djupet på härdningen, vilket är avgörande för att skriva ut tjocka objekt snabbt och med hög precision. Till exempel, genom att använda Am2/Iod2/4dpps som fotoinitiator, har djupet på härdningen uppnått 31 cm, vilket är en imponerande prestation för 3D-utskrift.

Sammanfattningsvis visar dessa nya CTC-baserade fotoinitiatorsystem en betydande förbättring av både hastigheten och effektiviteten i 3D-utskrift och fotopolymerisering. Genom att finjustera egenskaperna hos donatorer (amin- och fosfinföreningar) och acceptorer (iodoniumsalter), samt genom att använda makro-acceptorer som PSI, kan fotopolymerisering optimeras för att möta kraven på snabb och djup härdning med minimal ljusmigrering.

Hur tvåfoton-polymerisation förbättrar tredimensionell nanoframställning

Tvåfoton-polymerisation (2PP) är en kraftfull metod inom nanoteknik och mikroframställning som möjliggör tillverkning av tredimensionella (3D) strukturer med hög precision och upplösning. Genom att utnyttja laserteknologi och fotoinitiatorer som reagerar på två fotoner vid en gång, kan denna teknik skapa mikroskopiska detaljer på submikronnivå, vilket gör det möjligt att tillverka komplexa strukturer som tidigare var omöjliga att uppnå med traditionella metoder.

Den grundläggande processen bakom tvåfoton-polymerisation innebär att en laser, ofta en femtosekundpulsad laser, skickas genom ett fotopolymert material. När laserljuset interagerar med materialet, exciteras molekylerna så att polymerisationen bara sker på specifika platser, där två fotoner träffar samtidigt. Detta gör det möjligt att skapa mycket små och exakta strukturer, vilket är avgörande för tillämpningar inom mikro- och nanoteknik. Denna teknik skiljer sig från andra fotopolymerisationsmetoder genom att den möjliggör direkt skrivning av tredimensionella objekt utan att behöva använda en mask eller mönster.

En av de största fördelarna med tvåfoton-polymerisation är den höga upplösningen och förmågan att skapa detaljerade, 3D-strukturer med extremt små funktionella enheter. Genom att justera parametrarna för lasern, som intensitet och pulsbredd, kan forskare och ingenjörer kontrollera och optimera strukturerna för olika applikationer, från mikrosensorer till biomaterial.

Vid sidan av hög upplösning erbjuder denna teknik också möjligheten att arbeta med olika material, inklusive biokompatibla och biologiskt nedbrytbara fotopolymerer. Detta gör att tvåfoton-polymerisation har stor potential inom medicinsk forskning, till exempel för att skapa komplexa vävnadsskafander och biomaterial som kan användas vid regenerativ medicin eller vävnadsteknik. För forskare som arbetar med mikroskopiska strukturer har denna metod blivit ett ovärderligt verktyg för att skapa detaljerade modeller och enheter som är svåra eller omöjliga att skapa med traditionella tillverkningsmetoder.

En av de största utmaningarna inom området är att hantera materialens egenskaper och att förbättra fotoinitiatorernas effektivitet. För att förbättra upplösningen och minska felmarginalerna i produktionen används olika fotoinitiatorer och materialkombinationer. Nyare forskning har fokuserat på att utveckla fotoinitiatorer med högre effektivitetsgrad, vilket leder till ännu finare detaljer och bättre kontroll över polymerisationens förlopp. En annan viktig faktor är att minska den optiska aberrationen, som kan påverka precisionen när ljuset går genom materialet.

Flera studier har också utforskat användningen av tvåfoton-polymerisation för att skapa nanostrukturer med specifika funktionella egenskaper. Exempelvis har forskare lyckats skapa fotoluminescerande nanostrukturer som kan användas för avancerade optiska och fotoniska tillämpningar. Denna typ av strukturer har visat sig vara användbara i tillverkning av mikroskopiska sensorer och komponenter för optisk kommunikation.

Förutom fotopolymert material har även hybridmaterial, som kombinerar olika materialklasser, fått stor uppmärksamhet inom tvåfoton-polymerisation. Dessa material ger möjlighet att skapa strukturer som inte bara är funktionella utan också har unika mekaniska eller optiska egenskaper. Kombinationen av olika materialtyper gör att man kan skräddarsy en struktur för specifika applikationer inom exempelvis mikrosystemteknik och optoelektronik.

En annan framsteg som förtjänar uppmärksamhet är möjligheten att skriva ut objekten i 3D med hjälp av direktskrivande laserteknik. Denna process gör det möjligt att bygga upp komplexa strukturer lager för lager, vilket öppnar för en mängd nya tillämpningar. Exempelvis kan denna metod användas för att skapa anpassade mikrosystem och biointerfaces som kan interagera med levande celler och vävnader på en mycket högre nivå än tidigare.

Vid sidan av den tekniska utvecklingen har det också pågått forskning om hur man kan förbättra bearbetningshastigheten och göra processen mer kostnadseffektiv. För närvarande är tvåfoton-polymerisation en relativt långsam process, vilket kan begränsa dess tillämpning för storskalig produktion. Men genom att optimera de optiska system som används i processen, samt genom att utveckla nya fotopolymermaterial, förväntas denna metod bli mer effektiv och användbar för industriella tillämpningar i framtiden.

Sammanfattningsvis erbjuder tvåfoton-polymerisation en rad potentiella fördelar för tredimensionell nanoframställning, särskilt inom områden som bioteknik, mikrosystemteknik och fotonik. Den fortsatta utvecklingen av både material och teknologiska processer kommer att vara avgörande för att ta denna teknik från experimentell användning till praktiska och industriella tillämpningar. De möjligheter som öppnas genom förbättrad upplösning och materialanpassning ger oss en glimt av framtiden för nanoframställning och 3D-utskrift, där komplexa och funktionella strukturer kan tillverkas med oerhört små detaljer på en mikroskopisk nivå.

Hur läkemedel kan omvandlas för att behandla neurodegenerativa sjukdomar
Hur påverkar nätverksbelastning och kommunikationsstörningar tillförlitligheten i trådlösa fel-toleranta konsensusssystem?
Vad betyder det att vara del av ett lag? Förening av identitet och ansvar
Vad kan man förvänta sig av en verklig sCO2 kraftcykel?