{"id":49928,"date":"2023-09-19T11:00:38","date_gmt":"2023-09-19T09:00:38","guid":{"rendered":"https:\/\/www.3dnatives.com\/de\/?p=49928"},"modified":"2023-11-30T16:52:32","modified_gmt":"2023-11-30T15:52:32","slug":"3d-druck-im-mikro-und-nanobereich-durch-zwei-photonen-polymerisation-2pp-190920231","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.3dnatives.com\/de\/3d-druck-im-mikro-und-nanobereich-durch-zwei-photonen-polymerisation-2pp-190920231\/","title":{"rendered":"3D-Druck im Mikro- und Nanobereich mit Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP)"},"content":{"rendered":"

Der 3D-Druck<\/a> im Nano- und Mikroma\u00dfstab bietet Gestaltungsfreiheit und Effizienz und ebnet so den Weg f\u00fcr zahlreiche bahnbrechende neue Innovationen, vor allem in den Bereichen der Mikrooptik und Mikromechanik. Diese Errungenschaften geben ihrerseits den Ansto\u00df f\u00fcr weitere Entwicklungen, sodass ein positiver Schneeballeffekt in Bezug auf technologischen Fortschritt stattfindet. Daher kam es in den letzten Jahren verst\u00e4rkt zur Kommerzialisierung von Drucktechniken, mit denen diese Mikro- und Nano-Objekte hergestellt werden k\u00f6nnen. Eines der wichtigsten Verfahren in diesem Kontext ist die Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP)<\/strong>, die wir in diesem Leitfaden n\u00e4her betrachten.<\/p>\n

Die Zwei-Photonen-Polymerisation wird \u00fcblicherweise einfach mit 2PP abgek\u00fcrzt, hergeleitet vom englischen Two photon polymerization<\/em> (abgek\u00fcrzt mit TPP<\/em> oder 2PP<\/em>). In der Fachliteratur st\u00f6\u00dft man auch h\u00e4ufig auf die Synonyme Zwei-Photonen-Lithographie<\/em> und Laserdirektschreiben<\/em>, sowie auf die Schreibweisen 2-Photonen-Polymerisation<\/em> und ZweiPhoton-Polymerisation<\/em>, die sich alle auf dasselbe Verfahren beziehen. 2PP ist ein \u00c4quivalent f\u00fcr 3D-Druck im Mikrometerbereich<\/a> und steht f\u00fcr eine fortschrittliche 3D-Drucktechnologie. Die Grundlagen wurden von Shoju Maruo, Osamu Nakamura und Satoshi Kawata 1997 an der Universit\u00e4t Osaka entwickelt. Zahlreiche Hersteller haben die Technologie f\u00fcr sich weiterentwickelt und h\u00e4ufig ihr eigenes Verfahren unter einem patentierten Namen auf den Markt gebracht.<\/p>\n

\"Mikrostruktur

Mikrostruktur aus dem 3D-Drucker. Mithilfe der Zwei-Photonen-Polymerisation k\u00f6nnen komplexe Strukturen im Mikro- und Nanometerbereich hergestellt werden. (Bild: Fraunhofer ISC)<\/p><\/div>\n

So funktioniert die Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP)<\/h3>\n

Grunds\u00e4tzlich beruht die Zwei-Photonen-Polymerisation auf dem Prinzip der Photopolymerisation, bei der gezielte Belichtung in Kunstharzen eine Polymerisation in Gange setzt. Diese Kettenreaktion f\u00fchrt zur Verkn\u00fcpfung der Molek\u00fcle und deren Aush\u00e4rtung, wodurch das gew\u00fcnschte 3D-Objekt entsteht. Alle Photopolymerisationsverfahren funktionieren \u00e4hnlich, unterscheiden sich aber in der Vorgehensweise. Die 2PP l\u00e4sst sich am ehesten mit der Stereolithographie<\/a> vergleichen, bei der ein Laserstrahl oder UV-Licht fl\u00fcssiges Harz dort aush\u00e4rtet, wo der Lichtstrahlt auftrifft und durch die ausgeh\u00e4rteten Harzlinien dann ein 3D-Objekt entsteht. Der Unterschied zwischen Stereolithographie und 2PP liegt in der Interaktion mit den angeregten Photonen. Der Begriff Zwei-Photonen-Polymerisation leitet sich n\u00e4mlich vom Prozess ab, wie das Material konkret polymerisiert, also verfestigt wird. Bei der Stereolithographie passiert dies durch einen ganzen Lichtstrahl, ausgehend von einem Laser oder einer UV-Lichtquelle. Bei der Zwei-Photonen-Polymerisation wird hingegen entweder eine sichtbare Strahlung in Form eines Lasers verwendet oder eine Infrarot-Strahlung.<\/p>

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Im Allgemeinen ist das Prinzip der 2PP dem der Stereolithographie sehr \u00e4hnlich. Das Laserlicht trifft auf die Molek\u00fcle im Harz, aktiviert sie und l\u00f6st dadurch eine Reaktion aus, die zur Aush\u00e4rtung des Harzes f\u00fchrt. Zu dieser Aktivierung kommt es aber nur, wenn ein Molek\u00fcl gleichzeitig zwei Photonen des Laserstrahls absorbiert. Die Zwei-Photonen-Polymerisation basiert somit auf diesem Prozess der Anregung von lichtempfindlichen Molek\u00fclen durch die gleichzeitige Absorption von zwei Photonen. Um diesen Effekt mit hoher Wahrscheinlichkeit zu erzielen, muss die Intensit\u00e4t des Laserstrahls allerdings sehr hoch sein. Am h\u00f6chsten ist die Laserintensit\u00e4t im zentralen Inneren des Brennpunktes, deshalb kommt es nur dort zu einer Zwei-Photonen-Absorption. Das macht sich die 2PP zunutze.<\/p>\n

\"Schema

Die Zwei-Photonen-Polymerisation macht sich den Effekt der Zwei-Photonen-Absorption zunutze. (Bild: Fraunhofer ISC)<\/p><\/div>\n

Das Laserlicht wird im Fokus der Strahlung, dem Voxel, so stark geb\u00fcndelt, dass dort eine lokale und kontrollierte Aush\u00e4rtung des lichtempfindlichen Polymers erfolgen kann, w\u00e4hrend der Rest des umliegenden Materials fl\u00fcssig bleibt. Wichtig ist allerdings, dass f\u00fcr die erfolgreiche Anwendung der 2PP ein ultrakurz gepulster Laserstrahl im Fektosekundenbereich verwendet wird. Mithilfe eines Fektosekundlasers kann der Prozess n\u00e4mlich so erfolgen, dass die Photonenedichte ausschlie\u00dflich im Fokus des Laserstrahls f\u00fcr die simultane Absorption von zwei Photonen hoch genug ist. Normalerweise w\u00fcrde diese Wellenl\u00e4ge vom Harz nicht absorbiert werden. Allerdings f\u00fchren die starke Fokussierung und die Natur der Bestrahlung zum Effekt der Zwei-Photonen-Absorption innerhalb des Fokusvolumens. Somit beschr\u00e4nkt sich die Aush\u00e4rtung nur auf ein winziges Fokusvolumen, wodurch komplexe 3D Mikro- und Nanostrukturen hergestellt werden.<\/p>\n

Das Harz reagiert also nur im Brennpunkt des Laserstrahls und dieser kann dann durch mehrere Schichten gelenkt werden, wobei nur die gew\u00fcnschte Schicht, beziehungsweise ein konkreter Punkt ausgeh\u00e4rtet wird. Durch die computergesteuerte F\u00fchrung k\u00f6nnen die 3D-Strukturen so Punkt f\u00fcr Punkt geschrieben werden, daher der Name Laserdirektschreiben<\/em>. Das hei\u00dft, sowohl die starke Fokussierung des Lasers als auch dessen Intensit\u00e4t sind daf\u00fcr entscheidend, dass die hochkomplexen 3D-Strukturen mit Durchmesser im Nanometer-Bereich ausgeh\u00e4rtet werden k\u00f6nnen. Nach der Belichtung wird mit L\u00f6sungsmitteln nachbearbeitet, um auf diese Weise das nicht belichtete, fl\u00fcssige Harz zu entfernen. Die mit 2PP gedruckten endg\u00fcltigen 3D-Mikrostrukturen verf\u00fcgen \u00fcber eine sehr hohe Pr\u00e4zision und Aufl\u00f6sungen unter 25 nm.<\/p>\n

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Bei der Zwei-Photonen-Polymerisation wird eine Struktur samt Muster per Laser in das fl\u00fcssige Harz „geschrieben“ (Bild: Heidelberg Instruments)<\/p><\/div>\n

Vorteile und Einschr\u00e4nkungen der Zwei-Photonen-Polymerisation<\/h3>\n

In der Regel geht der Druck in hochpr\u00e4ziser Aufl\u00f6sung mit einer verh\u00e4ltnism\u00e4\u00dfig langen Produktionszeit einher. Die pr\u00e4zise Arbeitsweise und punktuelle Aush\u00e4rtung des Materials resultieren in einer \u00fcberaus langen Herstellungszeit f\u00fcr makroskopische Drucke. Das Verfahren eignet sich daher besonders f\u00fcr kleine, massenlimitierte Objekte. Im Mikro- und Nanobereich hingegen hat die Zwei-Photonen-Polymerisation zahlreiche Anwendungen m\u00f6glich gemacht. Es gibt keine Design-Einschr\u00e4nkungen, sodass arbitr\u00e4re Strukturen in diesem Ma\u00dfstab hergestellt werden k\u00f6nnen. Die Skalierbarkeit reicht von 100 nm bis in den Zentimeterbereich. Der Herstellungsprozess ist bei Verwendung der 2pp au\u00dferdem nicht auf eine schichtweise Fabrikation beschr\u00e4nkt, wie weiter oben n\u00e4her ausgef\u00fchrt, sondern beruht auf einem inh\u00e4renten 3D-Prozess, bei dem gezielte Punkte ausgeh\u00e4rtet werden.<\/p>\n

Anwendung der Zwei-Photonen-Polymerisation und verwendete Materialien<\/h3>\n

Die Anwendungsbereiche der Technologie liegen daher dort, wo h\u00f6chste Pr\u00e4zision auf kleinstem Raum gefragt ist, wie zum Beispiel in der Mikrooptik. Mithilfe der 2PP k\u00f6nnen Faserenden f\u00fcr die Mirkoskopie und Mirkolinsen hergestellt werden. In der Mirko-Mechanik dient das Verfahren der Herstellung von Chips. Dar\u00fcber hinaus werden auch zahlreiche mikro-elektronische Bauteile und mikrofluidische Ger\u00e4te mithilfe der 2PP gefertigt.<\/p>\n

Ein weiterer Anwendungsbereich ist der medizinische Sektor. Per Zwei-Photonen-Polymerisation k\u00f6nnen Ger\u00fcststrukturen f\u00fcr Zellwachstum hergestellt werden, die den Gewebeaufbau in Gang setzen. Auch f\u00fcr Implantate auf zellul\u00e4rer oder molekularer Ebene kommt 2PP zum Einsatz. So k\u00f6nnen beispielsweise Arzneimittelabgabesysteme hergestellt werden, die in den K\u00f6rper eingesetzt werden. Durch die Herstellung von Implantaten auf Basis von patienteneigenem Material werden Absto\u00dfungsreaktionen eingeschr\u00e4nkt. Auch k\u00f6nnte durch den Mikrodruck von patienteneigenem Material in naher Zukunft einem Mangel an Spender-Implantaten vorgebeugt werden. Die Zwei-Photonen-Polymerisation findet also in zahlreichen Sektoren<\/a> Anwendung und gibt Ansto\u00df f\u00fcr bedeutende Entwicklungen in diesen Feldern.<\/p>\n

\"2PP

Hochpr\u00e4zise Replikation einer trabekul\u00e4ren menschlichen Knochenstruktur aus einem 3D-\u00b5-CT-Scan (links). Knochenzellkultur auf dem \u201cOsteoprint\u201d (rechts). (Bild: A.Marino, IIT Pontedera)<\/p><\/div>\n

Die verwendeten Materialien h\u00e4ngen von der gew\u00fcnschten Anwendung ab. Epoxid-Harz, Photolacke und Hydrogele sind die h\u00e4ufigsten Materialien, die mit Zwei-Photonen-Polymerisation verarbeitet werden. Es kommen immer mehr organische Materialien zum Einsatz und auch Hybridmaterialien. Zum Beispiel werden Hybridpolymere dazu benutzt, keramische oder pr\u00e4keramische Strukturen<\/a> zu fertigen, die dann durch den keramischen Anteil eine h\u00f6here Stabilit\u00e4t aufweisen.<\/p>\n

Hersteller von 2PP-Druckern<\/h3>\n

Zu den bedeutendsten Herstellern von Drucksystemen<\/a> f\u00fcr die Zwei-Photonen-Polymerisation geh\u00f6ren Nanoscribe<\/a> aus Deutschland, UpNano aus \u00d6sterreich, Microlight aus Frankreich, Multiphoton Optics aus Deutschland und Moji-Nano-Technology aus China. Nanoscribe hat ein eigenes Verfahren entwickelt, das auf der Zwei-Photonen-Polymerisation beruht, n\u00e4mlich die Zwei-Photonen-Graustufenlithografie (2GL). Der Nanoscribe Quantum X<\/a> ist der weltweit erste industrielle Drucker, der mit dieser Zwei-Photonen-Graustufenlithografie arbeitet. Ein weiterer Drucker aus dem Hause Nanoscribe ist der Quantum X Shape<\/a> f\u00fcr Rapid Prototyping und Wafer-Serienfertigung. UpNano<\/a> wirbt seinerseits mit dem schnellsten hochaufl\u00f6senden Drucksystem der Welt, der NanoOne-Serie. Au\u00dferdem hat das Unternehmen mit dem NanoOne Bio-System einen Drucker eingef\u00fchrt, der f\u00fcr das 3D-Bioprinting<\/a> mit lebenden Zellen bestimmt ist.<\/p>\n

\"Mikrolinsen\"

Vertikales Mikrolinsensystem, das durch 2PP gefertigt wurde. (Bild: Heidelberg Instruments)<\/p><\/div>\n

Viele dieser Drucker-Hersteller bieten auch eigene Materialien an. UpNano entwickelte beispielsweise ein schwarzes 2PP-Material, UpBlack, das optimal f\u00fcr optische Systeme eingesetzt werden kann. In Zusammenarbeit mit Cubicure entstand auch der temperaturbest\u00e4ndige Kunststoff UpThermo. Auch Microlight 3D bietet eigene microFAB-Materialien f\u00fcr den Einsatz mit den eigenen Druckern an, wie zum Beispiel dem MicroFAB-3D.<\/p>\n

Ebenfalls hervorzuheben bei der Materialentwicklung und beim Vorantreiben der Zwei-Photonen-Polymerisation ist das Fraunhofer Institut<\/a>. Neben Materialien f\u00fcr biologische Anwendung will das Fraunhofer Institut die Zwei-Photonen-Polymerisation zur Masteringtechnologie f\u00fcr bisher etablierte eigene Verfahren ausbauen.<\/p>\n

Der 3D-Druck im Mikro- und Nanoberiech wird aufgrund der Anforderungen aus mehreren Branchen immer bedeutender. Die Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) ist ein sehr vielf\u00e4ltiges Verfahren und findet daher in immer mehr Bereichen Anwendung. Die Technologie erm\u00f6glicht zukunftsweisende Innovationen und Fortschritte in Medizin<\/a>, Mikro-Optik und Mikro-Elektronik und tr\u00e4gt so zu vielen spannenden Entwicklungen und Errungenschaften bei.<\/p>\n