Polimerizzazione a due fotoni: tutto quello che c’è da sapere

La produzione additiva su scala nanometrica e microscopica offre libertà di progettazione ed efficienza, aprendo la strada a numerose innovazioni pionieristiche, in particolare nei campi della micro-ottica e della micromeccanica. A loro volta, queste conquiste danno impulso a nuovi sviluppi, promuovendo il progresso tecnologico. Di conseguenza, negli ultimi anni è aumentata la commercializzazione di tecniche di stampa 3D che possono essere utilizzate per produrre questi micro e nano-oggetti. Uno dei processi più importanti in questo contesto è la polimerizzazione a due fotoni.

La polimerizzazione a due fotoni è spesso abbreviata semplicemente in 2PP. Altri termini che possono essere utilizzati per questa tecnologia sono litografia a due fotoni, scrittura laser diretta. La 2PP rientra nell’ambito della stampa 3D in microscala e può essere considerata una tecnologia avanzata di produzione additiva. I principi di base sono stati sviluppati da Shoju Maruo, Osamu Nakamura e Satoshi Kawata presso l’Università di Osaka nel 1997. Da allora, numerose aziende hanno continuato a sviluppare la tecnologia, immettendo sul mercato le loro apparecchiature con vari nomi brevettati.

Come funziona la polimerizzazione a due fotoni?

La polimerizzazione a due fotoni, come suggerisce il nome, si basa sul principio della fotopolimerizzazione. In questo caso, l’esposizione mirata alla luce innesca la polimerizzazione, ovvero il processo di unione dei monomeri per creare una catena polimerica, delle resine sintetiche. Questa reazione a catena fa sì che le molecole si leghino e si induriscano, dando vita a modelli 3D. Tutti i processi di fotopolimerizzazione funzionano in modo simile, ma si differenziano per la procedura.

Il 2PP può essere paragonato alla stereolitografia, in cui un raggio laser indurisce la resina liquida punto per punto fino a creare l’oggetto strato per strato. La differenza tra stereolitografia e 2PP sta nell’interazione con i fotoni implementati. Il termine polimerizzazione a due fotoni deriva dal processo di polimerizzazione del materiale, cioè dalla sua solidificazione. Nella stereolitografia, ciò si ottiene con un intero fascio di luce emesso da un laser. Nella polimerizzazione a due fotoni, invece, si utilizzano radiazioni visibili sotto forma di laser o radiazioni infrarosse.

Tuttavia, in generale, il principio della 2PP è molto simile a quello della stereolitografia. La luce laser colpisce le molecole di resina, attivandole e innescando una reazione che le fa indurire. Tuttavia, questa attivazione avviene solo quando una molecola assorbe contemporaneamente due fotoni del raggio laser. La polimerizzazione a due fotoni si basa quindi su questo processo di eccitazione delle molecole sensibili alla luce mediante l’assorbimento simultaneo di due fotoni. Per ottenere questo effetto con un’alta probabilità, l’intensità del raggio laser deve essere molto elevata. L’intensità del laser è massima al centro del punto focale, in modo che l’assorbimento di due fotoni avvenga solo in quel punto.

L’energia della luce laser è generata in modo così intenso nel punto di fuoco della radiazione (il voxel), che si ha una polimerizzazione locale e controllata del polimero sensibile alla luce in quel punto, mentre il resto del materiale circostante rimane liquido. Nella 2PP, invece, è necessario utilizzare un raggio laser pulsato ultracorto, dell’ordine di poche frazioni di secondo. Questo perché il processo può essere realizzato con l’aiuto di un laser in modo tale che la densità di fotoni sia sufficientemente alta da consentire l’assorbimento simultaneo di due fotoni nel punto focale del raggio laser. Normalmente, queste lunghezze d’onda non verrebbero assorbite dalla resina. Tuttavia, la forte focalizzazione e la natura dell’irradiazione causano l’effetto di assorbimento a due fotoni all’interno del volume focale. Di conseguenza, la polimerizzazione è limitata a un piccolo volume focale, consentendo la creazione di complesse microstrutture e nanostrutture 3D.

In questo modo, la resina reagisce solo nel punto focale del fascio laser e quest’ultimo può essere diretto attraverso diversi strati, in modo da polimerizzare solo lo strato desiderato o un punto specifico. La guida computerizzata consente di delineare strutture 3D punto per punto, da cui il nome di scrittura diretta laser. Ciò significa che sia la forte focalizzazione che l’intensità del laser sono decisive per garantire la polimerizzazione di strutture complesse con diametri nanometrici. Dopo l’esposizione, viene eseguito un post-processing con solventi per rimuovere la resina liquida non esposta. Le parti finali stampate in 3D con 2PP hanno una precisione estremamente elevata e risoluzioni inferiori a 25 nm.

Di norma, la stampa con una risoluzione di alta precisione è associata a tempi di produzione relativamente lunghi. Il metodo di lavoro preciso e l’indurimento puntuale del materiale comportano tempi di produzione estremamente lunghi per le stampe macroscopiche. Pertanto, il processo è più adatto a piccoli oggetti di massa limitata.

Nella gamma micro e nano, invece, la polimerizzazione a due fotoni ha reso possibili numerose applicazioni. Non ci sono restrizioni di progettazione, quindi è possibile produrre strutture arbitrarie su piccola scala. La scalabilità va da 100 nm a centimetri. Inoltre, la polimerizzazione a due fotoni non si limita alla fabbricazione strato per strato, come già detto, ma si basa su un processo intrinseco in cui vengono polimerizzati punti specifici.

Materiali compatibili e applicazioni

Le aree di applicazione di questa tecnologia sono quelle in cui è richiesta la massima precisione negli spazi più ristretti, come ad esempio nella micro-ottica. La polimerizzazione a due fotoni può essere utilizzata per produrre estremità di fibre per microscopia e microlenti. Nella micromeccanica, il processo è utilizzato per produrre chip. Inoltre, numerosi componenti microelettronici e dispositivi microfluidici sono prodotti con la 2PP.

Un altro campo di applicazione è il settore medicale. Il 2PP può essere utilizzato per creare strutture di scaffold per la crescita delle cellule, che avviano la formazione dei tessuti. Viene utilizzato anche per impianti a livello cellulare o molecolare. Ad esempio, si possono produrre sistemi di somministrazione di farmaci che vengono inseriti nel corpo. La produzione di impianti basati sul tessuto del paziente limita, ad esempio, le reazioni di rigetto. La microstampa del materiale del paziente potrebbe anche evitare la carenza di impianti da donatore nel prossimo futuro. La polimerizzazione a due fotoni è quindi utilizzata in numerosi settori e sta guidando importanti progressi in questi campi.

I materiali utilizzati dipendono dall’applicazione da eseguire. La resina epossidica, le fotoresistenze e gli idrogel sono i materiali più comuni utilizzati nella polimerizzazione a due fotoni. Vengono utilizzati sempre più materiali organici e materiali ibridi. Ad esempio, i polimeri ibridi sono utilizzati per produrre strutture ceramiche o preceramiche, che hanno una maggiore stabilità.

Produttori di stampanti 3D per polimerizzazione a due fotoni

Tra i principali produttori di sistemi di stampa 3D per la polimerizzazione a due fotoni vi sono Nanoscribe (Germania), UpNano (Austria), Microlight (Francia), Multiphoton Optics (Germania) e Moji-Nano-Technology (Cina). Nanoscribe ha sviluppato un proprio processo basato sulla polimerizzazione a due fotoni, noto come litografia a scala di grigi a due fotoni (2GL). La Nanoscribe Quantum X è la prima stampante 3D industriale al mondo a funzionare con il 2GL. Un’altra stampante Nanoscribe è la Quantum X Shape per la prototipazione rapida e la produzione di massa. Da parte sua, UpNano ha annunciato il sistema di stampa ad alta risoluzione più veloce al mondo, la serie NanoOne. L’azienda ha anche presentato il NanoOne Bio System, una stampante progettata per il bioprinting 3D con cellule viventi.

Molti di questi produttori di stampanti 3D offrono anche i propri materiali. UpNano, ad esempio, ha sviluppato un materiale 2PP nero, UpBlack, ideale per i sistemi ottici. Inoltre, la plastica resistente alle temperature UpThermo è stata sviluppata in collaborazione con Cubicure. Microlight 3D offre anche i propri materiali microFAB da utilizzare con le proprie stampanti, come la MicroFAB-3D. Nel frattempo, l’Istituto Fraunhofer eccelle nello sviluppo di materiali e nel progresso della polimerizzazione a due fotoni. Oltre ai materiali per le applicazioni biologiche, l’Istituto intende trasformare la polimerizzazione a due fotoni in una tecnologia proprietaria consolidata.

La stampa 3D nella gamma micro e nano sta diventando sempre più importante a causa delle esigenze di vari settori industriali. La polimerizzazione a due fotoni è un processo altamente versatile, per questo viene utilizzato in un numero sempre maggiore di settori. La tecnologia consente innovazioni e scoperte pionieristiche in medicina, micro-ottica e microelettronica, contribuendo a molti sviluppi interessanti nel settore.

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*Crediti fotografici di copertina: Heidelberg Instruments