Två-foton 3D-utskrift (TPP) är en av de mest lovande och kraftfulla metoderna för att skapa mikroskopiska strukturer med hög precision. Denna teknik använder två fotoner med lägre energi för att stimulera polymerisationen av ett fotohärdande material, vilket ger möjlighet att skriva ut tredimensionella objekt med upplösning ned till nanoskala. Med hjälp av avancerade optiska system kan TPP möjliggöra konstruktion av strukturer som tidigare var omöjliga att skapa med traditionella metoder.

En av de största fördelarna med TPP är dess förmåga att skriva ut tredimensionella strukturer utan att behöva lager för lager-processer som kräver att objektet byggs upp i ett traditionellt rastermönster. Istället används en fokuserad laserstråle för att selektivt härda materialet vid en mycket specifik punkt i volymen, vilket gör det möjligt att skapa komplicerade strukturer med hög precision och utan att kompromissa med upplösningen. Denna metod har öppnat upp nya möjligheter för att tillverka både funktionella och estetiska mikroskopiska objekt.

En annan viktig aspekt är användningen av fotoinitiatorer, som spelar en avgörande roll för att möjliggöra TPP-processen. Dessa initiatorer är kemiska ämnen som startar polymerisationsreaktionen när de utsätts för laserljus. För att uppnå hög upplösning och noggrannhet är det nödvändigt att välja initiatorer med rätt egenskaper, särskilt de som har en hög två-foton absorption (TPA). Det har blivit uppenbart att initiatorer med olika funktioner, som förmågan att dämpa fria radikaler, är avgörande för att förbättra precisionen vid 3D-utskrift och för att undvika diffusion av fria radikaler, vilket kan försämra strukturell noggrannhet.

En teknisk innovation inom detta område är användningen av kväsare som kan minska fri radikaldiffusion under fotopolymerisationen. Exempelvis har användningen av TEMPO-baserade kväsare i en metod kallad LMC-MPL visat sig markant förbättra strukturell precision. Genom att effektivt inhibera diffusionen av fria radikaler kan denna metod skapa strukturer med linjebredder så små som 55 nm, vilket traditionella två-foton litografiska metoder inte kan uppnå.

Det är också värt att nämna hur TPP påverkar andra områden inom mikrofabrikation, särskilt när det gäller hybridmaterial och keramiska kompositstrukturer. TPP-tekniken erbjuder en möjlighet att tillverka mikrostrukturer av keramiska material efter pyrolys, vilket ger upphov till nya tillvägagångssätt för att skapa keramiska mikrosystem med hög precision. Detta kan vara användbart för applikationer inom mikrosensorer och mikrosystemteknik, där hög upplösning och strukturintegritet är avgörande.

En annan intressant aspekt av TPP är dess potential för att skapa funktionella 3D-strukturer för användning inom bioengineering och medicin. Genom att skriva ut mikronålar, mikrovärldar och andra miniatyriserade enheter har forskare lyckats utveckla en rad nya enheter för farmaceutisk leverans och neural stimulering. Dessa 3D-utskrivna enheter kan erbjuda fördelar som ökad precision och förmåga att anpassa sig efter specifika biologiska behov, vilket gör dem användbara för avancerad medicinsk behandling och biofluidkontroll.

Trots alla dessa fördelar står TPP-tekniken inför vissa utmaningar. En av de största begränsningarna är den relativa långsamheten i processen, som fortfarande är långsammare än vissa andra tekniker, särskilt vid tillverkning av större strukturer. Vidare kräver högupplöst 3D-utskrift med TPP noggranna optiska inställningar och specifik programvara för att säkerställa att alla foton träffar rätt punkt och att polymerisationen sker exakt där den ska. Detta gör att det finns ett behov av ytterligare utveckling för att kunna producera storskaliga objekt med samma precision som för småskaliga strukturer.

Det är också viktigt att förstå att för att TPP-teknikens fulla potential ska kunna uppnås, krävs det en fortsättning på forskning och utveckling inom områden som materialvetenskap och fotoinitiatorer. Den rätta kombinationen av resin, fotoinitiatorer och funktionella tillsatser är avgörande för att skapa hållbara, högkvalitativa material med de önskade mekaniska och optiska egenskaperna.

Tekniken öppnar nya möjligheter inte bara för nanofabrikation utan också för mer innovativa och effektiva sätt att hantera material och konstruktioner på mikroskopisk nivå. Detta skapar en dynamisk arena för att utforska nya gränser för 3D-utskrift och dess applikationer inom olika vetenskapliga och tekniska områden.

Hur 3D-utskrift förändrar läkemedelsleverans och medicinska enheter

Inom området bioprinting har den fotopolymeriseringsbaserade 3D-utskriftstekniken visat sig vara ett kraftfullt verktyg för att skapa komplexa strukturer av biomaterial. En specifik tillämpning av denna teknik är utvecklingen av levervävnad och organmodeller för medicinsk forskning och regenerativ medicin. Till exempel, när metakrylerad lever-ECM-baserad bio-bläck användes för att skapa mikrovävnader genom DLP-bioprinting, visade det sig kunna främja spridningen av leverceller (hiHep) och samtidigt upprätthålla hepatocytspecifika funktioner. Detta gör tekniken lovande för användning inom levervävnadsingenjörskap för att återställa leverfunktioner hos patienter med leversvikt.

En annan spännande användning av 3D-utskrift inom medicin är framställning av läkemedelsleveranssystem. Här har 3D-utskrift visat sig vara ett värdefullt verktyg för att skapa tabletter med exakt geometrisk form och porositet, vilket kan påverka läkemedlets upplösning och frisättning. För läkemedel som är dåligt lösliga i vatten, som carvedirol, kan denna metod hjälpa till att kontrollera frisättningen genom att variera tabletternas geometri. Tunnare filmer frisätter läkemedlet snabbare, medan ring-, nät- och cylindriska geometriska former frisätter det långsammare, vilket gör det möjligt att skräddarsy frisättningen för olika terapier.

Inom utvecklingen av flexibla medicinska enheter har 3D-utskrift också öppnat nya möjligheter. Genom att använda fotopolymerisering kan olika funktionaliserade material integreras i flexibla medicinska enheter, som till exempel kontaktlinser. Genom att kombinera hydroxyetylmetakrylat, PEGDA och färgämnen har man lyckats skapa multimaterialkontaktlinser som förbättrar optiska filtreringsegenskaper. Denna innovation är särskilt intressant för behandling av ögonsjukdomar som färgblindhet, där flera optiska filterlager kan integreras i en enda lins.

En annan framstående användning av fotopolymeriseringsbaserad 3D-utskrift är skapandet av elektriskt ledande hydrogeler som kan användas i bärbara sensorer. Dessa sensorer har mycket komplexa strukturer och erbjuder hög upplösning och precision, vilket gör dem särskilt lämpliga för realtidsdetektion av mänsklig rörelse och taktila signaler. För att uppnå hållbarhet och stabilitet under upprepade cykliska deformeringsprocesser har forskare utvecklat polymeriserbara rotaxan-hydrogeler som är stretchiga och samtidigt har överlägsen trötthetsmotståndskraft. Dessa kan användas i sensorer som övervakar kroppsrörelser eller till och med hjärtsignaler, vilket öppnar nya dörrar för bärbara enheter och sjukvårdsapplikationer.

Trots de framsteg som har gjorts inom fotopolymeriseringsbaserad 3D-utskrift för medicinska tillämpningar, finns det fortfarande flera utmaningar som måste övervinnas för att tekniken ska kunna implementeras i större skala. En viktig aspekt är utvecklingen av biokompatibla fotopolymeriserbara förprecursorer, eller fotosensitiva hartser, som är både lättflytande och har hög prestanda för att möta behoven hos snabb och exakt 3D-utskrift. Vidare behövs nya fotoinitiatorer som har en längre våglängdsabsorptionskapacitet och hög initiationskapacitet för att underlätta bildandet av 3D-strukturer under mildare förhållanden.

En annan kritisk utmaning är att uppnå tillräcklig vaskularisering i vävnadsingenjörsmodeller för att skapa hela organ med biologisk funktionalitet och en struktur som liknar den hos ett naturligt organ. Detta innebär att mer forskning och utveckling krävs för att optimera metoder för att främja blodkärlsbildning och skapa livskraftiga vävnadskonstruktioner.

För att verkligen utnyttja potentialen hos fotopolymeriseringsbaserad 3D-utskrift inom vävnadsingenjörskap och biomedicinska tillämpningar är det avgörande att fortsätta utveckla och anpassa material och teknologier som kan stödja de specifika behoven hos celler, vävnader och organ. Med fortsatt forskning och innovation kan vi förvänta oss att denna teknik kommer att spela en allt viktigare roll inom regenerativ medicin och läkemedelsutveckling i framtiden.

Varför måste parade bli en pilgrimsfärd och pilgrimsfärden kyrkan?
Hur fastnar iskristaller på ytor under flygning i blandfas- och glaciationsförhållanden?
Vad är de komplexa talen och deras betydelse som utvidgning av de reella talen?