Materiali morbidi in microstampa 3D con 2 fotogrammi di litografia

La stampa 3D su microscala sta diventando più comune man mano che strumenti e materiali diventano più sofisticati. Attualmente, tuttavia, la maggior parte dei materiali utilizzati in questo tipo di stampa 3D sono rigidi e vetrosi utilizzati nella stereolitografia. In un nuovo documento intitolato ” Panoramica dei materiali per applicazioni di stampa 3D a due fotoni “, un gruppo di ricerca della Cornell University  discute lo sviluppo di nuovi materiali per la stampa 3D su microscala, in particolare quelli morbidi.

Diversi materiali sono esplorati e discussi nello studio, tra cui: S1) un fotoresistato chimicamente amplificato, poli (tetraidropiranil
metacrilato-co-metilmetacrilato) con un generatore di fotoacidi a 2 fotoni; S2) Dow Corning Silgard 182 con (n5-ciclopentadienil-metil) -trimetilplatin come materiale fotoattivo; e S3) Resina fotopolimerizzabile Norland NOA 63 con un generatore di fotoacidi a 2 fotoni non ionici.

“Abbiamo anche esplorato l’uso di molecole assorbenti a 2 fotoni per migliorare l’attività dei composti fotoattivi convenzionali che da soli
non hanno una fotosensibilità di 2 fotoni sufficiente”, affermano i ricercatori. “Questi includono: S4) idrogeli a base di poli (etilenglicole metacrilato) e idrossietilmetacrilato con 2,2-dimetossi2-fenil acetofenone e un sensibilizzatore a 2 fotoni, S5) un vetro molecolare fenolico reticolato con TMMGU catalizzato acido con un generatore di fotoacidi e un fotosensibilizzatore a 2 fotoni e S6) analoghi epossidici e tienici SU8 con un PAG ionico con un fotosensibilizzatore a 2 fotoni di cumarina-7. ”

L’obiettivo della ricerca è costruire una forte struttura 3D con proprietà e strutture specifiche nel raggio di pochi micron o meno. I materiali sono stati selezionati per quanto riguarda le proprietà meccaniche, le caratteristiche ottiche, la resistenza ai solventi inclusa l’acqua e le caratteristiche di modifica della superficie. Materiali necessari per essere in grado di produrre un “film” spesso che potrebbe essere estruso senza intoppi ma senza perdere la forma una volta estruso. I materiali morbidi, i ricercatori continuano, devono essere gestiti in modo diverso rispetto ai materiali rigidi.

“Il PDMS utilizzato in S2 è un olio molto viscoso che contiene un catalizzatore di idrosililazione fotoattiva”, continuano. “Le sfide del processo derivano dalla mobilità del polimero non reticolato e dalla necessità di sviluppare e rimuovere l’oligomero non reagito nel processo del tono negativo. Questo aspetto della lavorazione può portare a gonfiore significativo e sottoporre a forti sollecitazioni meccaniche sui materiali. ”
Esempi rappresentativi di materiali a motivi 3D prodotti utilizzando la litografia a 2 fotoni a) PDMS; b) poli (idrossietilmetacrilato) secco; c) effetto di idratazione su idrogel marcato con colorante fluorescente
I sistemi di fotopolimeri esistenti possono essere utilizzati per stampare questi materiali, ma i ricercatori osservano che i composti fotoattivi (PAC) non sono sufficientemente attivi nelle condizioni di due fotoni. Raccomandano l’aggiunta di un sensibilizzatore con caratteristiche di assorbimento a due fotoni a lunghezze d’onda vicine a IR.

La stampa 3D di idrogel può essere effettuata, ma i reagenti devono essere solubili in acqua. Ciò crea, come lo descrivono i ricercatori, una situazione complicata in cui devono essere usati composti fotoattivi insolubili in acqua e sensibilizzanti. Nel sistema S4, i monomeri vinilici idrosolubili sono stati combinati con benzofenone PAC e un sensibilizzatore a due fotoni che era estremamente idrofobo. Per introdurre questi materiali acquosi, sono stati usati composti tensioattivi come tensioattivi non ionici e ciclodestrine.

I ricercatori concludono che le prospettive per la produzione ad alta velocità di microstampa 3D e nanostrutture complesse stanno migliorando con lo sviluppo di nuovi sistemi di stampa 3D a due fotoni. Tuttavia, i materiali attualmente sono in ritardo rispetto agli strumenti.

“I sistemi liquidi sono più semplici da creare e lavorare ma non hanno la risoluzione dei sistemi a secco”, affermano i ricercatori. “Non ci sono ancora PAC standard a 2 fotoni e materiali per la modellazione il modo in cui i photoresist amplificati chimicamente hanno strategie e chimiche standardizzate coerenti. Man mano che questi nuovi materiali e concetti si sviluppano, la microstampa 3D diventerà molto più importante di quanto non sia oggi e verrà integrata nella nanomodellazione. ”
Gli autori del documento includono Christopher K. Ober, Ziwei Liu, Roselynn Cordero e Alicia Cintora.

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