La litografía multifotónica (también conocida como litografía láser directa o escritura láser directa ) es similar a las técnicas de fotolitografía estándar ; la estructuración se logra iluminando fotoprotectores [ jerga ] de tono negativo o positivo mediante luz de una longitud de onda bien definida. La principal diferencia es evitar las fotomáscaras . En cambio, se utiliza la absorción de dos fotones para inducir un cambio en la solubilidad de la resistencia para los reveladores apropiados. [ jerga ]
Por tanto, la litografía multifotónica es una técnica para crear pequeñas características en un material fotosensible , sin el uso de láseres excimer o fotomáscaras . Este método se basa en un proceso de absorción de múltiples fotones en un material que es transparente en la longitud de onda del láser utilizado para crear el patrón. Al escanear y modular adecuadamente el láser, se produce un cambio químico (generalmente polimerización ) en el punto focal del láser y se puede controlar para crear un patrón tridimensional arbitrario. Este método se ha utilizado para la creación rápida de prototipos de estructuras con características finas.
La absorción de dos fotones (TPA) es un proceso de tercer orden con respecto a la susceptibilidad óptica de tercer orden y un proceso de segundo orden con respecto a la intensidad de la luz . [ jerga ] Por esta razón, es un proceso no lineal varios órdenes de magnitud más débil que la absorción lineal, [ jerga ] por lo tanto, se requieren intensidades de luz muy altas para aumentar el número de eventos tan raros. Por ejemplo, los rayos láser muy enfocados proporcionan las intensidades necesarias. En este caso, se prefieren las fuentes de láser pulsado, con anchos de pulso de alrededor de 100 fs, [1] ya que emiten pulsos de alta intensidad y al mismo tiempo depositan una energía promedio relativamente baja. Para permitir la estructuración 3D, la fuente de luz debe adaptarse adecuadamente a la fotoresina líquida, ya que la absorción de fotón único está altamente suprimida. [ se necesita aclaración ] Por lo tanto, el TPA es esencial para crear geometrías complejas con alta resolución y precisión de forma. Para obtener mejores resultados, las fotoresinas deben ser transparentes a la longitud de onda de excitación λ, que está entre 500 y 1000 nm y, simultáneamente, absorber en el rango de λ/2. [2] Como resultado, una muestra dada en relación con el rayo láser enfocado se puede escanear mientras se cambia la solubilidad de la resistencia solo en un volumen confinado. La geometría de este último depende principalmente de las superficies de isointensidad del foco. En concreto, aquellas regiones del rayo láser que superan un determinado umbral de exposición del medio fotosensible definen el componente básico, el llamado vóxel . Los vóxeles son, por tanto, los volúmenes individuales más pequeños de fotopolímero curado. Representan los componentes básicos de los objetos impresos en 3D. Otros parámetros que influyen en la forma real del vóxel son el modo del láser y el desajuste del índice de refracción entre la resistencia y el sistema de inmersión, lo que conduce a una aberración esférica.
Se descubrió que los efectos de polarización en la nanolitografía láser 3D se pueden emplear para ajustar los tamaños de las características (y la relación de aspecto correspondiente) en la estructuración de fotoprotectores. Esto demuestra que la polarización es un parámetro variable junto a la potencia del láser (intensidad), la velocidad de escaneo (duración de la exposición), la dosis acumulada, etc.
Además, se pueden emplear bioresinas puras renovables derivadas de plantas sin fotosensibilización adicional para la creación óptica rápida de prototipos. [3]
Los materiales empleados en la litografía multifotónica son los que normalmente se utilizan en las técnicas de fotolitografía convencionales. Se pueden encontrar en estado líquido-viscoso, gel o sólido, según la necesidad de fabricación. Las resinas líquidas implican procesos de fijación de muestras más complejos durante el paso de fabricación, mientras que la preparación de las resinas en sí puede ser más fácil y rápida. Por el contrario, las resistencias sólidas se pueden manipular de forma más sencilla, pero requieren procesos complejos y que requieren mucho tiempo. [4] La resina siempre incluye un prepolímero (el monómero ) y, considerando la aplicación final, un fotoiniciador . Además, podemos encontrar inhibidores de la polimerización (útiles para estabilizar las resinas y reducir el vóxel obtenido), disolventes (que pueden simplificar los procedimientos de fundición), espesantes (los llamados "rellenos" ) y otros aditivos (como pigmentos, etc.) que tienen como objetivo para funcionalizar el fotopolímero.
Los acrilatos son los componentes de la resina más difundidos. Se pueden encontrar en muchos procesos de fotolitografía tradicionales que implican una reacción radical . Están ampliamente difundidos y disponibles comercialmente en una amplia gama de productos, con diferentes propiedades y composición. Las principales ventajas de este tipo de resinas líquidas se encuentran en las excelentes propiedades mecánicas y en la alta reactividad. Los acrilatos exhiben una contracción ligeramente mayor en comparación con los epoxis , pero su rápida capacidad de iteración permite una estrecha alineación con el diseño. Además, los acrilatos ofrecen una mayor facilidad de uso, ya que eliminan la necesidad de aplicar recubrimiento giratorio o pasos de horneado durante el procesamiento. Finalmente los pasos de polimerización son más rápidos que otros tipos de fotopolímeros. [4] Los metacrilatos están ampliamente difundidos debido a su biocompatibilidad. La mayoría de los materiales para la polimerización bifotónica son suministrados por empresas que también suministran impresoras. Sin embargo, hay resinas de terceros disponibles como ORMOCER, [5] junto con numerosas resinas de fabricación propia.
Estas son las resinas más utilizadas en los campos MEMS y microfluídicos . Aprovechan la polimerización catiónica . Una de las resinas epoxi más conocidas es la SU-8 , [6] que permite la deposición de películas delgadas (hasta 500 μm) y la polimerización de estructuras con una alta relación de aspecto . Podemos encontrar muchas otras resinas epoxi como: SCR-701, muy empleada en objetos micro móviles, [7] y la SCR-500.
El vidrio y la cerámica inorgánicos tienen mejores estabilidades térmicas y químicas que los fotopolímeros y también ofrecen una mayor durabilidad debido a su alta resistencia a la corrosión, la degradación y el desgaste. [8] Por ello, en los últimos años ha habido un interés continuo en el desarrollo de resinas y técnicas que permitan utilizar la litografía multifotónica para la impresión 3D de vidrios y cerámicas. Se ha demostrado que utilizando resinas híbridas inorgánicas-orgánicas y tratamientos térmicos de alta temperatura, se puede lograr la impresión 3D de vitrocerámicas con resolución submicrométrica. [9] [10] Recientemente también se ha demostrado la litografía multifotónica de una resina completamente inorgánica para la impresión 3D de vidrios sin involucrar tratamientos térmicos, [11] permitiendo la impresión 3D de microópticas de vidrio en las puntas de fibras ópticas sin causar daños a la fibra óptica. [12]
Hoy en día existen varios campos de aplicación para dispositivos microestructurados, fabricados mediante polimerización multifotónica, tales como: medicina regenerativa , ingeniería biomédica , micromecánica , microfluídica , microscopía de fuerza atómica , óptica y ciencias de las telecomunicaciones.
Con la llegada de fotopolímeros biocompatibles (como SZ2080 y OMOCER), hasta la fecha se han realizado muchos andamios mediante litografía multifotónica. Varían en parámetros clave como geometría, porosidad y dimensión para controlar y condicionar, de forma mecánica y química, señales fundamentales en cultivos celulares in vitro : migración, adhesión, proliferación y diferenciación. La capacidad de fabricar estructuras que tienen un tamaño de característica más pequeño que el de las células ha mejorado drásticamente el campo de la mecanobiología, brindando la posibilidad de combinar señales mecánicas directamente en el microambiente de las células. [13] Su aplicación final abarca desde el mantenimiento de la potencia en células madre mesenquimales adultas, como en el andamio NICHOID [14] que imita in vitro un nicho fisiológico, hasta la generación de andamios diseñados para la migración.
La polimerización multifotónica puede ser adecuada para realizar dispositivos activos (como bombas) o pasivos (como filtros) de microtamaño que se pueden combinar con Lab-on-a-chip . Estos dispositivos pueden usarse ampliamente acoplados a microcanales con la ventaja de polimerizar en canales presellados. En cuanto a los filtros, se pueden utilizar para separar el plasma de los glóbulos rojos, para separar poblaciones de células (en relación con la dimensión de una sola célula) o básicamente para filtrar soluciones de impurezas y desechos. Un filtro 3D poroso, que sólo puede fabricarse con tecnología 2PP, ofrece dos ventajas clave en comparación con los filtros basados en pilares 2D. En primer lugar, el filtro 3D tiene una mayor resistencia mecánica a las tensiones cortantes , lo que permite una mayor proporción de vacíos y, por tanto, un funcionamiento más eficiente. En segundo lugar, el filtro poroso 3D puede filtrar eficientemente elementos en forma de disco sin reducir el tamaño de los poros a la dimensión mínima de la celda. Teniendo en cuenta las microbombas integradas, se pueden polimerizar como rotores bilobulados independientes, confinados en el canal por su propio eje, para evitar rotaciones no deseadas. Estos sistemas se activan simplemente mediante el uso de un sistema láser CW focalizado. [7]
Hasta la fecha, las micropuntas de microscopía de fuerza atómica se realizan con técnicas fotolitográficas estándar sobre materiales duros, como el oro, el silicio y sus derivados. Sin embargo, las propiedades mecánicas de dichos materiales requieren procesos de producción costosos y que requieren mucho tiempo para crear o doblar las puntas. La litografía multifotónica se puede utilizar para crear prototipos y modificaciones, evitando así el complejo protocolo de fabricación.
Con la capacidad de crear estructuras planas 3D, la polimerización multifotónica puede construir componentes ópticos para guías de ondas ópticas , [4] resonadores , [15] cristales fotónicos , [16] y lentes. [17]
