Polimerización de dos fotones, ¿en qué consiste este método de microimpresión 3D?
La impresión 3D a nano y microescala ofrece libertad de diseño y eficiencia, allanando el camino a numerosas innovaciones pioneras, sobre todo en los campos de la microóptica y la micromecánica. A su vez, estos logros impulsan nuevos desarrollos, lo que promueve a su vez el progreso tecnológico. En consecuencia, en los últimos años ha aumentado la comercialización de técnicas de impresión 3D que pueden utilizarse para producir estos micro y nanoobjetos. Uno de los procesos más importantes en este contexto es la polimerización de dos fotones (2PP). Para conocer más sobre esta técnica, sigue leyendo esta guía completa.
La polimerización de dos fotones, derivado del inglés “two-photon polymerisation”, suele abreviarse simplemente como 2PP. Otros términos que se pueden encontrar con respecto a aesta tecnología es la litografía de dos fotones, escritura directa por láser o grafías polimerización de dos fotones. El método 2PP es un equivalente de la impresión 3D a microescala y representa una tecnología avanzada de fabricación aditiva. Los principios básicos fueron desarrollados por Shoju Maruo, Osamu Nakamura y Satoshi Kawata en la Universidad de Osaka en 1997. Desde entonces, numerosas empresas han seguido desarrollando la tecnología, lanzado al mercado sus propios equipos con un nombre patentado.
Microestructura impresa en 3D. La polimerización de dos fotones puede utilizarse para producir estructuras complejas a escala micro y nanométrica. (Créditos: Fraunhofer ISC)
¿Cómo funciona la polimerización de dos fotones?
La tecnología de polimerización de dos fotones se basa en el principio de la fotopolimerización. En él, la exposición dirigida a la luz provoca la llamada polimerización de resinas sintéticas. Esta reacción en cadena provoca la unión de las moléculas y su endurecimiento, dando lugar a modelos en 3D. Todos los procesos de fotopolimerización funcionan de forma similar, pero difieren en el procedimiento. La 2PP puede compararse mejor con la estereolitografía, en la que un rayo láser endurece resina líquida punto por punto hasta que se crear el objeto capa a capa. La diferencia entre la estereolitografía y la 2PP radica en la interacción con los fotones implementados. El término polimerización de dos fotones se deriva del proceso de polimerización del material, es decir, de su solidificación. En la estereolitografía, esto se consigue mediante todo un haz de luz emitido por un láser. En cambio, en la polimerización de dos fotones se utiliza radiación visible en forma de láser o radiación infrarroja.
En general, el principio de la 2PP es muy similar al de la estereolitografía. La luz láser incide en las moléculas de la resina, las activa y desencadena una reacción que provoca su endurecimiento. Sin embargo, esta activación sólo se produce cuando una molécula absorbe simultáneamente dos fotones del rayo láser. La polimerización de dos fotones se basa, por tanto, en este proceso de excitación de moléculas sensibles a la luz mediante la absorción simultánea de dos fotones. Para conseguir este efecto con una alta probabilidad, la intensidad del haz láser debe ser muy alta. La intensidad del láser es máxima en el centro del punto focal, por lo que la absorción de dos fotones sólo se produce allí.
La polimerización de dos fotones aprovecha el efecto de la absorción de dos fotones. (Créditos: Fraunhofer ISC)
La luz láser se genera con tanta fuerza en el foco de la radiación, el voxel, que allí puede tener lugar el curado local y controlado del polímero sensible a la luz, mientras que el resto del material circundante permanece líquido. Sin embargo, en la 2PP es importante que se utilice un rayo láser pulsado ultracorto en el rango de los fractosegundos. Esto se debe a que el proceso puede llevarse a cabo con la ayuda de un láser de fractosegundos de tal manera que la densidad de fotones es lo suficientemente alta como para la absorción simultánea de dos fotones sólo en el foco del haz láser. Normalmente, estas longitudes de onda no serían absorbidas por la resina. Sin embargo, la fuerte focalización y la naturaleza de la irradiación provocan el efecto de absorción de dos fotones dentro del volumen focal. Como resultado, el curado se limita a un volumen focal minúsculo, permitiendo crear complejas microestructuras y nanoestructuras en 3D.
Así, la resina sólo reacciona en el punto focal del rayo láser y éste puede dirigirse a través de varias capas, con lo que sólo se cura la capa deseada, o un punto concreto. La guía controlada por ordenador permite escribir las estructuras 3D punto por punto, de ahí el nombre de escritura directa por láser. Esto significa que tanto la fuerte focalización del láser como su intensidad son decisivas para garantizar el curado de estructuras complejas con diámetros nanométricos. Tras la exposición, se realiza un postratamiento con disolventes para eliminar la resina líquida que no se ha expuesto. Las piezas finales impresas en 3D con 2PP tienen una precisión muy alta y resoluciones inferiores a 25 nm.
En la polimerización de dos fotones, el láser «escribe» una estructura y un patrón en la resina líquida. (Créditos: Heidelberg Instruments)
Ventajas y limitaciones de la tecnología
Por regla general, la impresión con una resolución de alta precisión va asociada a un tiempo de producción relativamente largo. El método de trabajo preciso y el curado puntual del material dan lugar a un tiempo de producción extremadamente largo para impresiones macroscópicas. Por tanto, el proceso es más adecuado para objetos pequeños de masa limitada. En la gama micro y nano, en cambio, la polimerización de dos fotones ha hecho posibles numerosas aplicaciones. No hay restricciones de diseño, por lo que se pueden producir estructuras arbitrarias a pequeña escala. La escalabilidad va de los 100 nm a los centímetros. Además, la 2PP no se limita a la fabricación capa por capa, como hemos mencionado, sino que se basa en un proceso inherente en el que se polimerizan puntos específicos.
Materiales compatibles y aplicaciones destacadas
Los ámbitos de aplicación de esta tecnología son, por tanto, aquellos en los que se requiere la máxima precisión en los espacios más reducidos, como en microóptica. La polimerización de dos fotones puede utilizarse para fabricar extremos de fibra para microscopía y microlentes. En micromecánica, el proceso se utiliza para fabricar chips. Además, con la 2PP también se fabrican numerosos componentes microelectrónicos y dispositivos microfluídicos.
Otro campo de aplicación es el sector médico. La 2PP puede utilizarse para crear estructuras de andamiaje para el crecimiento celular, que inician la formación de tejidos. También se utiliza para implantes a nivel celular o molecular. Por ejemplo, se pueden producir sistemas de administración de fármacos que se insertan en el cuerpo. La producción de implantes basados en el propio material del paciente limita las reacciones de rechazo. La microimpresión del material del propio paciente también podría evitar la escasez de implantes de donantes en un futuro próximo. Así pues, la polimerización de dos fotones se utiliza en numerosos sectores e impulsa importantes avances en estos campos.
Reproducción de alta precisión de una estructura ósea humana trabecular a partir de un escáner 3D µ-CT (izquierda). Cultivo de células óseas en la “Osteoprint” (derecha). (Créditos: A. Marino, IIT Pontedera)
Los materiales utilizados dependen de la aplicación que se vaya a realizar. La resina epoxi, los fotorresistentes y los hidrogeles son los materiales más comunes utilizados en la polimerización de dos fotones. Cada vez se utilizan más materiales orgánicos, así como materiales híbridos. Por ejemplo, los polímeros híbridos se utilizan para producir estructuras cerámicas o precerámicas, que tienen una mayor estabilidad.
Fabricantes de impresoras 3D 2PP
Entre los principales fabricantes de sistemas de impresión 3D para la polimerización de dos fotones encontramos a Nanoscribe (Alemania), UpNano (Austria), Microlight (Francia), Multiphoton Optics (Alemania) y Moji-Nano-Technology (China). Nanoscribe ha desarrollado su propio proceso basado en la polimerización de dos fotones, la litografía de dos fotones en escala de grises (2GL). La Nanoscribe Quantum X es la primera impresora 3D industrial del mundo que funciona con 2GL. Otra impresora de Nanoscribe es la Quantum X Shape para la creación rápida de prototipos y la producción en serie. Por su parte, UpNano anuncia el sistema de impresión de alta resolución más rápido del mundo, la serie NanoOne. La empresa también ha presentado el sistema NanoOne Bio, una impresora diseñada para la bioimpresión 3D con células vivas.
Sistema de microlentes verticales fabricado por 2PP. (Créditos: Heidelberg Instruments)
Muchos de estos fabricantes de impresoras 3D también ofrecen sus propios materiales. UpNano, por ejemplo, ha desarrollado un material 2PP negro, UpBlack, ideal para sistemas ópticos. Además, el plástico resistente a la temperatura UpThermo se desarrolló en colaboración con Cubicure. Microlight 3D también ofrece sus propios materiales microFAB para utilizar con sus propias impresoras, como la MicroFAB-3D.
El Instituto Fraunhofer destaca en el desarrollo de materiales y el avance de la polimerización de dos fotones. Además de materiales para aplicaciones biológicas, quieren desarrollar la polimerización de dos fotones para convertirla en una tecnología de dominio de procesos patentados previamente establecidos.
La impresión 3D en el rango micro y nano es cada vez más importante debido a los requisitos de varias industrias. La polimerización de dos fotones (2PP) es un proceso muy versátil, por lo que cada vez se utiliza en más ámbitos. La tecnología permite innovaciones y avances pioneros en medicina, microóptica y microelectrónica, contribuyendo a muchos desarrollos y logros apasionantes.
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*Créditos foto de portada: Heidelberg Instruments
