AOM：连续液面成型和多光子光刻相结合，可实现多尺度、多材料3D水凝胶结构打印

来源：EngineeringForLife

连续液面成型（CLIP），利用丙烯酸酯氧阻聚效应，氧气会抑制料槽底部部分墨水固化，形成几十微米厚的“死区”，紫外光会固化死区上方的墨水，打印无需缓慢剥离，从而可以连续打印。然而，CLIP不能制造分辨率优于25 μm的结构。多光子烧蚀（MPA）利用超快激光去除材料，能够在玻璃和聚合物基板中创建嵌入的中空微通道及凹槽。基于光刻的减材制造可以制造亚微米级结构，但通常仅限于平面或2.5D结构。

来自Syracuse University的Pranav Soman团队开发了一种新型混合激光打印（HLP）技术，可以打印具有微米级分辨率的多尺度、多材料3D水凝胶结构。研究人员展示了HLP在三种不同制造模式下的打印能力：加法/减法、加法/加法和多材料模式，可以预见HLP的打印能力可应用于更加广泛的领域。相关论文“Hybrid Laser Printing of 3D, Multiscale, Multimaterial HydrogelStructures”发表于杂志Advanced Optical Materials上。

图1HLP打印机的设计示意图

如图1所示，HLP装置由飞秒激光源组成，用于加法和减法制造模式。加法交联模式，即CLIP，通过飞秒激光束经过二次谐波发生器（SHG）获得紫外光，然后通过数字微镜装置（DMD）空间调制而进行，类似于传统的光固化打印方式。减法烧蚀模式，即MPA，通过物镜引导飞秒激光束烧蚀先前交联层内的空隙。飞秒激光还可以通过多光子聚合（MPP）以微尺度分辨率聚合3D结构。加法模式可以打印的最小特征尺寸为30 μm，而减法模式可以烧蚀的最小特征尺寸为3 μm。

“z轴烧蚀范围”指交联水凝胶层内，材料可以在减法模式下有效去除的区域。图2分别描述了影响死区厚度和z轴烧蚀范围的因素及函数关系。

图2 死区和z轴烧蚀范围

如图3所示，HLP用于打印具有内部微观特征的复杂3D结构。加法和减法过程自动进行迭代，以制造带有嵌入式立方体框架的玛雅金字塔。结果表明，HLP能够去除3D结构内任何深度的材料。

图3 加法/减法模式打印过程示意图

如图4所示，打印用户定义的具有互连平面内和平面外微通道的两孔PEGDA芯片，进一步展示HLP的打印能力。HLP中的顺序加法和减法模式允许烧蚀跨越多个交联层的3D通道。

图4 打印用户定义的具有互连平面内和平面外微通道的两孔PEGDA芯片

如图5所示，打印了带有嵌入式微通道的4孔PEGDA芯片，生成的通道是开放的，没有被碎片堵塞。该过程对细胞无毒，其中接种的细胞可以有效地迁移并在微通道内构成连接。

图5 带有孔间微通道的4孔PEGDA芯片的明场图像

如图6所示，基于增材CLIP和增材MPP的HLP能够使用多步和自动加法/加法模式制造3D多尺度结构。

图6HLP的加法/加法多尺度打印能力

如图7所示，研究人员构建了一个带有必要管道连接的新型料槽，可以实现不同材料墨水的高效切换，显示出HLP具有打印多材料3D结构的能力。

图7 用于多尺度、多材料制造的料槽和注射泵系统

如图8所示，研究人员从不同角度证实了HLP技术可以实现多模式、多尺度和多材料的3D水凝胶结构打印。

图8 多尺度、多材料3D水凝胶结构打印

综上所述，研究人员设计并开发了一种新的HLP技术，该技术将飞秒激光的加法交联和减法烧蚀模式无缝结合，使难以加工的水凝胶材料实现多尺度、多材料3D结构的打印。与传统光刻方法相比，具有嵌入式空心微特征的多尺度结构的快速制造展示了HLP的设计灵活性，其分辨率接近光刻所达到的分辨率。在加法/加法和加法/减法模式下打印多材料的能力证明了HLP的制造多功能性。这种能力可用于打印多材料3D水凝胶结构，用于光学、生物医学、微流体、微机器人以及其它各种领域。

参考文献：

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

论文链接：https://doi.org/10.1002/adom.201900656