En betydande utmaning inom tvåfotonpolymerisering är att hitta effektiva fotoinitiatorer (TPI) som kan genomföra polymerisering vid relativt låg laserintensitet och samtidigt erbjuda hög upplösning för komplexa mikrostrukturer. Den senaste forskningen har lett till designen av nya molekylstrukturer som förbättrar dessa egenskaper, genom att modifiera elektroniska och strukturella egenskaper för att optimera absorptionsspektrum och fotoinitiationskapacitet.

En framstående metod som används för att förbättra TPI-egenskaper är att introducera olika elektroniska donator-/acceptorgrupper i molekylerna för att bilda strukturer som D-π-D-π-D eller A-π-D-π-A. Genom att införa sådana grupper i karbazol-baserade Schiffbaser, som i studien av Xinyue Guo et al., lyckades man skapa fotoinitiatorer med en betydande bathokromisk förskjutning av absorptionsspektrat upp till 415 nm, vilket medförde förbättrad tvåfotonabsorption (TPA) vid 800 nm. Dessa TPIs visade sig också ha lägre tröskelenergi jämfört med kommersiella initiatorer som Irgacure 369, vilket gör dem särskilt lovande för tvåfoton-mikroframställning.

I ytterligare studier, som den utförda av Qiu et al., syntetiserades tre unimolekylära TPIs som innehöll kumarinderivat och oxime-esters för att främja TPA och skapa initiatorgrupper. Resultaten visade att dessa TPIs hade mycket högre tvåfotonabsorption än referenskompounden, vilket medförde en förbättrad polymerisationskapacitet vid lägre laserintensitet och en bredare bearbetningsfönster för 3D-utskrift.

En annan viktig aspekt som måste beaktas är molekylens konjugation, som påverkar dess TPA. Cao et al. rapporterade om en serie kromoforer, där vissa med större π-konjugation visade sig ha en lägre TPA än de med mindre konjugation, vilket indikerade att en välbalanserad π-konjugation är avgörande för att uppnå optimala fotoinitiatorprestanda. Molekylen TPAQ, till exempel, visade bättre prestanda än det vanliga fotoinitiatorn benzil i tvåfotonpolymerisering vid 780–820 nm, vilket belyser vikten av att designa molekyler som kan optimera både absorption och polymerisation.

I de senaste framstegen inom tvåfotoninitierad polymerisering har även nya, tvärkonjugerade D-π-A-π-D-strukturer visat lovande resultat, som beskrivits av Pucher et al. Deras arbete påvisade att sådana strukturer kan ge högre extinktionskoefficienter vid 400 nm och relativt bredare bearbetningsfönster för mikrofabricering. Dessa egenskaper gör dem användbara för att skapa extremt fina mikrostrukturer med upplösningar ner till 250 nm. Dessa fotoinitiatorer visade även att koncentrationen på cirka 0,05 viktprocent var tillräcklig för att uppnå hög precision vid tvåfotonmikrofabricering.

Vidare utfördes experiment av Xie et al. där nya fotoinitiatorer baserade på N-karbazolyl-dubbla bensyliden-ketonstrukturer (CZs) visade sig vara särskilt effektiva för tvåfotonlitografi under 780 nm infraröd laserstrålning. Deras resultat demonstrerade hur olika elektroniska substituenter, såsom elektrondragande fluorin och elektrondonerande N,N-dimetylaminogrupp, kunde förbättra absorptionen och polymerisationshastigheten. Denna typ av optimering är avgörande för att förbättra effektiviteten och precisionen hos 3D-skrivare som arbetar med tvåfotonpolymerisering.

Sammanfattningsvis har forskningen kring tvåfotoninitiatorer för 3D-skrivning lett till framsteg genom att designa molekyler som har större konjugation, effektivare fotoinitiation och en lägre tröskel för polymerisation. Dessa framsteg möjliggör skapandet av mycket komplexa mikroskopiska strukturer med hög precision, vilket har stor betydelse för utvecklingen av avancerade material och mikrostrukturer som kan användas inom områden som biomedicin, elektronik och nanoteknik.

För att uppnå de bästa resultaten är det avgörande att förstå hur strukturella förändringar i molekyler påverkar deras fotoinitiationskapacitet. Detta innebär att varje förändring i elektroniska grupper eller molekylens konjugation kan ha en betydande inverkan på tvåfotonabsorption och polymerisationseffektivitet. Den pågående forskningen kring fotoinitiatorer kommer sannolikt att fortsätta att ge nya insikter och möjligheter för ännu mer effektiva och exakta metoder inom tvåfotonmikrofabricering.

Hur fotopolymerisering revolutionerar 3D-utskrift och dess tillämpningar inom tandvård och industri

Fotopolymerisering i 3D-utskrift, även känd som fotokurering, har snabbt blivit en avgörande teknik för att skapa exakta och hållbara objekt, med särskilt fokus på tillämpningar som kräver hög precision och komplexa strukturer. Genom att använda ljuskänsliga system, vanligtvis vid en våglängd på 355 nm, kan fotopolymerer härdas under påverkan av UV-ljus, vilket gör det möjligt att skapa 3D-objekt med en betydande precision och mycket låg volymkontraktion. Denna metod gör det möjligt att uppnå detaljer som traditionell bearbetning inte kan erbjuda, vilket öppnar dörrarna för en rad nya applikationer.

I första hand har fotopolymeriserade material använts för ytskikt, där de erbjuder både skydd och dekoration. Traditionellt har UV-härdande material fokuserat på denna typ av ytbehandling, men för att expandera till mer avancerade och funktionella tillämpningar som volymmaterial för 3D-utskrift, krävs material med bättre fysikaliska och mekaniska egenskaper, inklusive värmebeständighet, biokompatibilitet och nedbrytbarhet. Detta är avgörande för att utöka användningen av fotokureringstekniken inom områden som tandvård, smyckestillverkning och många andra.

En av de mest lovande framstegen är utvecklingen av polyimidaakrylatresiner, som kombinerar strukturen hos polyimider med funktionella akrylatgrupper för att skapa material som kan användas för 3D-utskrift med hög temperaturbeständighet. Dessa material är särskilt intressanta för applikationer som kräver långvarig användning vid höga temperaturer, såsom i flyg- och bilindustrin, men även inom medicinsk teknologi där hållbarhet och funktion är av största vikt. En sådan polyimideresins förmåga att bibehålla sina mekaniska egenskaper vid temperaturer upp till 300 °C gör det till ett lovande alternativ för en mängd olika tillämpningar, från tandvård till mer industrinära användningar.

Med en snabb utveckling av både hårdvara, mjukvara och material, har fotopolymeriserad 3D-utskrift vuxit exponentiellt och breddat sina användningsområden. Tekniken erbjuder lösningar för personliga anpassningar, små batchproduktioner, komplexa strukturer och hög precision. Några av de främsta användningsområdena är inom tandvård, smyckestillverkning, hörselapparater, glasögon och till och med skotillverkning, vilket visar på teknikens mångsidighet.

Tandvården, särskilt inom ortodonti och tandimplantat, är ett av de mest framgångsrika och typiska områdena för fotokurering i 3D-utskrift. 3D-utskrift har revolutionerat den traditionella tandvårdsteknologin, vilket gör både tandreglering och implantatprocesser mer exakta, effektiva och bekväma för patienten. Idag är det en ökande efterfrågan på estetiskt tilltalande och funktionella lösningar för tandvård, och här spelar 3D-utskrift en central roll. Speciellt för de som söker en vacker och naturlig tandrad har "osynliga" tandställningar blivit en populär lösning. Dessa tandställningar är inte bara estetiskt tilltalande, utan de är också bekvämare att använda och mer hygieniska jämfört med traditionella metalldetallställningar.

Det digitala tillvägagångssättet för osynlig ortodonti använder 3D-scanning för att samla in data om patientens tänder och skapa en exakt digital modell. Efter noggrann diagnos och anpassad design kan ett digitalt program beräkna exakt vilken kraft som ska appliceras på tänderna, vilket gör behandlingen mer precis och anpassad för varje enskild patient. Efter att modellen är klar kan den skickas till en 3D-skrivare, som producerar transparenta tandställningar som patienten kan bära under hela behandlingen. Denna process sparar både tid och obehag, och den gör det möjligt för patienten att fortsätta med sina dagliga aktiviteter utan att behöva oroa sig för synliga metalldelar.

I tillägg till tandreglering används fotopolymeriserad 3D-utskrift även för framställning av tandproteser. Här används samma fördelar som för osynlig tandställning - precision, anpassning och snabbhet. Traditionella metoder för tillverkning av tandproteser är ofta tidskrävande och kan leda till felaktigheter om inte processen genomförs noggrant. Med hjälp av 3D-utskrift kan tandläkare nu skapa proteser med mycket högre precision, vilket gör dem mer hållbara och bekväma för patienten.

Det är också viktigt att förstå att medan teknologin är lovande och växer snabbt, finns det fortfarande vissa begränsningar, särskilt när det gäller materialens långsiktiga hållbarhet och deras förmåga att upprätthålla funktion under stressiga förhållanden. För att fotopolymeriserad 3D-utskrift ska kunna nå sin fulla potential, måste det fortsätta att ske innovationer inom materialvetenskapen, särskilt för applikationer som kräver exceptionell hållbarhet eller specifika kemiska och termiska egenskaper.

Hur kan PET-RAFT polymerisering användas för att förbättra 3D-utskriftstekniker?

Användningen av RAFT-polymerisering (Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer) inom 3D-utskrift har blivit ett innovativt sätt att skapa dynamiska polymernätverk som kan modifieras efter utskrift. Genom att använda PET-RAFT-polymerisering (Polymerization using Photoiniferter, Electron Transfer-RAFT), kan nätverk med bibehållna aktiva RAFT-enheter reageras efter att objektet har skrivits ut, vilket möjliggör ytterligare monomerinläggning och strukturella justeringar. Denna metod öppnar upp nya möjligheter för post-tryckmodifikation, där de polymeriserade materialen kan vidareutvecklas efter att ha genomgått den initiala utskriftsprocessen.

En viktig aspekt av denna teknik är att de inbyggda aktiva ställena för RAFT-enheterna gör det möjligt att modifiera de mekaniska och fysikaliska egenskaperna hos de utskrivna materialen utan att behöva använda ytterligare initiatorer eller lösningsmedel. Denna egenskap är särskilt intressant för användning inom områden som biomedicinska tillämpningar eller vävnadsteknik, där det kan vara nödvändigt att justera materialen för att uppfylla specifika krav under användning. Det möjliggör också en högre grad av flexibilitet, där t.ex. bioaktiva föreningar kan kopplas till materialet för att skräddarsy funktionerna för personligt anpassad medicin.

Forskningen kring 3D-utskrift med PET-RAFT-polymerisering är fortfarande i en utvecklingsfas. De största utmaningarna har tidigare varit långsamma polymeriseringshastigheter och känsligheten för syre, som hämmar den reversibla deaktiverade radikalpolymeriseringstekniken. Men genom nya framsteg har dessa problem blivit mer hanterbara. En framgångsrik implementering av denna teknik har involverat användning av fotoiniferter, som TTC-enheter (t.ex. CDTPA eller DBTTC) i kombination med diakrylatmonomerer som PEGDA, för att skapa tvärbundna nätverk. Under själva utskriftsprocessen fungerar TTC-enheterna som fotoiniferter och medierar polymerisering utan externa initiatorer eller katalysatorer.

I den efterföljande fasen av utskriften kan de bevarade TTC-enheterna reaktiveras för att tillåta ytterligare monomerer att adderas, vilket gör det möjligt att skapa mer komplexa strukturer och funktioner i materialen. Denna post-tryckmodifiering gör det möjligt att anpassa materialens egenskaper ytterligare efter utskriften, och kan öppna upp för användning i mer avancerade teknologiska och medicinska tillämpningar.

En särskild fördel med denna teknik är möjligheten till rumslig differentiering inom det utskrivna materialet, vilket gör det möjligt att anpassa olika områden av objektet för att uppfylla specifika krav. Detta har stor potential för framtida applikationer där en exakt kontroll över materialets funktioner är avgörande, till exempel i bionedbrytbara eller biokompatibla material som används inom läkemedelsindustrin.

En av de största begränsningarna i denna teknik är dock hastigheten på utskriften, som tenderar att vara långsammare än traditionell 3D-utskrift baserad på fri radikalpolymerisering. Detta beror på den långsamma fotolysreaktionshastigheten för TTC-enheterna samt deras inblandning i degenerativa kedjetransferreaktioner. Dessutom kan de kolcentrerade radikaler som genereras under processen reagera med molekylärt syre, vilket skapar arter som inte är reaktiva för polymerisering. För att övervinna detta problem används tekniker som syreförskjutning i ett inaktivt atmosfär under utskriften.

För att ytterligare förbättra effektiviteten och tillämpbarheten för denna teknik, har det också forskats på sätt att övervinna syrehämning. Strategier som att polymerisera i närvaro av syre, enzymmedierad deoxygenation och användning av fotoredoxkatalys har utforskats. Genom att använda organiska färgämnen som fotokatalysatorer, tillsammans med offerradikaler som trietylamin, kan polymerisering ske effektivt även vid närvaro av syre. Detta har gjort det möjligt att genomföra en fullständigt öppen 3D-utskriftsprocess, vilket tidigare var omöjligt på grund av syrets inhiberande effekt.

Tekniken bakom PET-RAFT-polymerisering för 3D-utskrift är lovande, men fortfarande under utveckling. För att fullt ut utnyttja dess potential krävs ytterligare forskning för att optimera utskriftshastigheten, öka reaktiviteten hos bevarade TTC-enheter och förbättra syrehanteringen under processen. Samtidigt öppnar denna teknik upp för en rad nya användningsområden, där flexibiliteten att anpassa och modifiera material efter utskrift kan få stor betydelse för framtida produktutveckling och innovationer inom flera vetenskapliga och tekniska områden.

Vad är det mest effektiva för att minska kolesterol och skydda hjärtat?
Hur kan byggnader integrera solenergi och bidra till den energimässiga omställningen?
Hur påverkar Metaverse och Blockchain framtidens digitala värld?