AOM：連續(xù)液面成型和多光子光刻相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)多尺度、多材料3D水凝膠結(jié)構(gòu)打印

來(lái)源：EngineeringForLife

連續(xù)液面成型（CLIP），利用丙烯酸酯氧阻聚效應(yīng)，氧氣會(huì)抑制料槽底部部分墨水固化，形成幾十微米厚的“死區(qū)”，紫外光會(huì)固化死區(qū)上方的墨水，打印無(wú)需緩慢剝離，從而可以連續(xù)打印。然而，CLIP不能制造分辨率優(yōu)于25 μm的結(jié)構(gòu)。多光子燒蝕（MPA）利用超快激光去除材料，能夠在玻璃和聚合物基板中創(chuàng)建嵌入的中空微通道及凹槽?；诠饪痰臏p材制造可以制造亞微米級(jí)結(jié)構(gòu)，但通常僅限于平面或2.5D結(jié)構(gòu)。

來(lái)自Syracuse University的Pranav Soman團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新型混合激光打?。℉LP）技術(shù)，可以打印具有微米級(jí)分辨率的多尺度、多材料3D水凝膠結(jié)構(gòu)。研究人員展示了HLP在三種不同制造模式下的打印能力：加法/減法、加法/加法和多材料模式，可以預(yù)見(jiàn)HLP的打印能力可應(yīng)用于更加廣泛的領(lǐng)域。相關(guān)論文“Hybrid Laser Printing of 3D, Multiscale, Multimaterial HydrogelStructures”發(fā)表于雜志Advanced Optical Materials上。

圖1HLP打印機(jī)的設(shè)計(jì)示意圖

如圖1所示，HLP裝置由飛秒激光源組成，用于加法和減法制造模式。加法交聯(lián)模式，即CLIP，通過(guò)飛秒激光束經(jīng)過(guò)二次諧波發(fā)生器（SHG）獲得紫外光，然后通過(guò)數(shù)字微鏡裝置（DMD）空間調(diào)制而進(jìn)行，類(lèi)似于傳統(tǒng)的光固化打印方式。減法燒蝕模式，即MPA，通過(guò)物鏡引導(dǎo)飛秒激光束燒蝕先前交聯(lián)層內(nèi)的空隙。飛秒激光還可以通過(guò)多光子聚合（MPP）以微尺度分辨率聚合3D結(jié)構(gòu)。加法模式可以打印的最小特征尺寸為30 μm，而減法模式可以燒蝕的最小特征尺寸為3 μm。

“z軸燒蝕范圍”指交聯(lián)水凝膠層內(nèi)，材料可以在減法模式下有效去除的區(qū)域。圖2分別描述了影響死區(qū)厚度和z軸燒蝕范圍的因素及函數(shù)關(guān)系。

圖2 死區(qū)和z軸燒蝕范圍

如圖3所示，HLP用于打印具有內(nèi)部微觀特征的復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)。加法和減法過(guò)程自動(dòng)進(jìn)行迭代，以制造帶有嵌入式立方體框架的瑪雅金字塔。結(jié)果表明，HLP能夠去除3D結(jié)構(gòu)內(nèi)任何深度的材料。

圖3 加法/減法模式打印過(guò)程示意圖

如圖4所示，打印用戶定義的具有互連平面內(nèi)和平面外微通道的兩孔PEGDA芯片，進(jìn)一步展示HLP的打印能力。HLP中的順序加法和減法模式允許燒蝕跨越多個(gè)交聯(lián)層的3D通道。

圖4 打印用戶定義的具有互連平面內(nèi)和平面外微通道的兩孔PEGDA芯片

如圖5所示，打印了帶有嵌入式微通道的4孔PEGDA芯片，生成的通道是開(kāi)放的，沒(méi)有被碎片堵塞。該過(guò)程對(duì)細(xì)胞無(wú)毒，其中接種的細(xì)胞可以有效地遷移并在微通道內(nèi)構(gòu)成連接。

圖5 帶有孔間微通道的4孔PEGDA芯片的明場(chǎng)圖像

如圖6所示，基于增材CLIP和增材MPP的HLP能夠使用多步和自動(dòng)加法/加法模式制造3D多尺度結(jié)構(gòu)。

圖6HLP的加法/加法多尺度打印能力

如圖7所示，研究人員構(gòu)建了一個(gè)帶有必要管道連接的新型料槽，可以實(shí)現(xiàn)不同材料墨水的高效切換，顯示出HLP具有打印多材料3D結(jié)構(gòu)的能力。

圖7 用于多尺度、多材料制造的料槽和注射泵系統(tǒng)

如圖8所示，研究人員從不同角度證實(shí)了HLP技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多模式、多尺度和多材料的3D水凝膠結(jié)構(gòu)打印。

圖8 多尺度、多材料3D水凝膠結(jié)構(gòu)打印

綜上所述，研究人員設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一種新的HLP技術(shù)，該技術(shù)將飛秒激光的加法交聯(lián)和減法燒蝕模式無(wú)縫結(jié)合，使難以加工的水凝膠材料實(shí)現(xiàn)多尺度、多材料3D結(jié)構(gòu)的打印。與傳統(tǒng)光刻方法相比，具有嵌入式空心微特征的多尺度結(jié)構(gòu)的快速制造展示了HLP的設(shè)計(jì)靈活性，其分辨率接近光刻所達(dá)到的分辨率。在加法/加法和加法/減法模式下打印多材料的能力證明了HLP的制造多功能性。這種能力可用于打印多材料3D水凝膠結(jié)構(gòu)，用于光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、微流體、微機(jī)器人以及其它各種領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

Puskal Kunwar,Zheng Xiong,Yin Zhu,HaiyanLi,Alex Filip,Pranav Soman，Hybrid Laser Printing of 3D,Multiscale, Multimaterial Hydrogel Structures，AdvancedOptical Materials

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adom.201900656