La microestereolitografía de proyección ( PμSL ) adapta la tecnología de impresión 3D para la microfabricación. La tecnología de micropantalla digital proporciona máscaras de estereolitografía dinámicas que funcionan como una fotomáscara virtual . Esta técnica permite una fotopolimerización rápida de una capa completa con un destello de iluminación UV a una resolución de microescala. La máscara puede controlar la intensidad de la luz de los píxeles individuales , lo que permite controlar las propiedades del material de la estructura fabricada con la distribución espacial deseada.
Los materiales incluyen polímeros , hidrogeles sensibles , polímeros con memoria de forma y biomateriales . [1]
Los sistemas microelectromecánicos (MEMS) se han desarrollado rápidamente en los últimos 30 años. Basándose en la integración de sensores y actuadores, los MEMS siempre exigen un método más barato, más fácil y más preciso para fabricar estructuras tridimensionales de tamaño micro utilizando diferentes materiales como polímeros, cerámicas y materiales semiconductores. [2] La apariencia de la microestereolitografía de proyección mejora el desarrollo de MEMS al lograr la mayoría de los requisitos anteriores. Esta invención se basa en la estereolitografía (impresión 3D), desarrollada por Charles Hull en 1984. Esta máquina se utiliza principalmente para fabricar materiales blandos como hidrogeles y polímeros. La teoría básica detrás de esta invención es utilizar luz ultravioleta para curar la solución, que consta de iniciadores , monómeros y absorbentes , para formar cada capa de materiales. Bajo la exposición a la luz ultravioleta , los iniciadores se transfieren a los radicales. Los radicales conectan los monómeros entre sí para comenzar el proceso de polimerización. Los absorbentes se mezclan con monómeros para controlar la profundidad de penetración de la luz ultravioleta. Este proceso químico permite que las áreas expuestas a los rayos UV se conviertan en polímeros de estado sólido. [2]
Al principio, todos los métodos de estereolitografía de tamaño micro utilizaban el mismo método que la estereolitografía de tamaño macro que dirigen los materiales de escritura sobre la base. La primera estereolitografía de tamaño micro que utiliza luz ultravioleta para curar la superficie de resina líquida fue desarrollada por el profesor Ikuta y Hirowatari en 1993. Este enfoque de fabricación es el prototipo de la microestereolitografía de proyección actual. [3] En comparación con los métodos anteriores de fabricación de escritura directa, este enfoque tiene la ventaja de que puede fabricar cada capa simultáneamente, lo que aumenta la tasa de rendimiento para grandes producciones. En aquel momento, los datos de formas 2D se obtenían en un sistema CAD . Los datos 2D se utilizan para fabricar planos cortados 2D en el líquido. Por lo tanto, para estructuras complicadas es necesario crear varios planos 2D en el sistema CAD . Esta estereolitografía se puede utilizar para fabricar tanto polímeros como metales. Los metales se fabrican mediante el proceso de fundición después de fabricar un molde de polímero. Aunque mejora la tasa de rendimiento, este método requiere una máscara para cada capa del producto final, lo que aumenta el tiempo y el costo del proceso. Por lo tanto, se desarrolló nuevamente la tecnología de fabricación en la que las máscaras son reemplazadas por un dispositivo de visualización de microespejos , que es similar al proyector de nuestra vida diaria. La pantalla de microespejos proporciona una máscara dinámica que puede cambiar los patrones electrónicamente. Dado que una sola máscara reemplaza varias máscaras, el tiempo de procesamiento y el costo de fabricación disminuyen considerablemente.
La máscara dinámica define el haz. El haz se enfoca en la superficie de una resina polimérica curable por UV a través de una lente de proyección que reduce la imagen al tamaño deseado. Una vez que se polimeriza una capa, el escenario deja caer el sustrato en un espesor de capa predefinido y la máscara dinámica muestra la imagen de la siguiente capa encima de la anterior. Esto continúa de forma iterativa hasta completarse. El proceso puede crear un espesor de capa del orden de 400 nm. [4]
Se han logrado resoluciones horizontales inferiores a 2 μm y verticales inferiores a 1 μm, con tamaños de características inferiores a 1 μm. El proceso puede funcionar a temperatura y atmósfera ambiente, aunque el aumento de nitrógeno mejora la polimerización. Se han logrado tasas de producción de 4 mm3/h, dependiendo de la viscosidad de la resina. [4]
Los materiales se pueden cambiar fácilmente durante la fabricación, lo que permite la integración de múltiples elementos materiales en un solo proceso. [4]
Las aplicaciones incluyen la fabricación de microactuadores, la creación de moldes , la galvanoplastia o (con aditivos de resina) artículos cerámicos , incluidos microrreactores para apoyar el crecimiento de tejidos, micromatrices para la administración y detección de fármacos y circuitos bioquímicos integrados para simular sistemas biológicos. [4]
Inspirada en Mimosa pudica , la hoja de este actuador puede hincharse con estímulos externos como disolventes , temperatura y luz. Para controlar el movimiento de este actuador, se incrustan canales de microfluidos dentro de la hoja de este actuador. Con geometrías externas y estructuras internas complejas, este microactuador blando se puede fabricar mediante microestereolitografía de proyección, que es una de las formas más sencillas de obtener estas complejas estructuras 3D. El molde CAD de este actuador se genera en un ordenador. A continuación se obtienen las imágenes 2D cortadas. Luego, la pantalla de microespejo proyecta cada imagen 2D y pasa a través de la lente hasta alcanzar el tamaño deseado hasta la superficie de la resina polimérica. Dado que la microestereolitografía de proyección ahorra tiempo, se puede realizar el mismo experimento en diferentes materiales líquidos blandos para conocer su efecto de hinchazón. Basado en esta contracción y extensión de materiales causada por una pequeña gota de solvente o un pequeño cambio en las condiciones ambientales, este microactuador puede imitar el movimiento del músculo humano y puede usarse en muchas aplicaciones robóticas blandas . [5]
Muchos procedimientos de cirugía reconstructiva requieren tejidos nuevos cuando los tejidos originales se eliminan debido a enfermedades. Una forma de generar este nuevo tejido es tomar una parte de tejido de otra parte del cuerpo humano y transferirlo al nuevo sitio. Sin embargo, este método causa daño a otros órganos mientras genera nuevos tejidos. Por tanto, la fabricación de tejidos artificiales es un enfoque preferido para resolver este problema. La principal limitación de este tejido artificial es la ausencia del sistema capilar para transportar nutrientes y oxígeno como los sistemas circulatorios de los organismos vivos . Con la capacidad de fabricar estructuras 3D complejas, la microestereolitografía de proyección puede proporcionar una de las mejores soluciones para este tejido. Al igual que el microactuador , el molde del tejido artificial se realiza mediante CAD . Luego, el molde CAD se transfiere a imágenes 2D y se proyecta sobre la superficie de la resina polimérica a través de una lente. El sistema capilar se incrusta en el tejido durante el proceso de diseño del molde en el molde CAD . El polímero utilizado en la fabricación del tejido es semipermeable, lo que permite que los nutrientes y el oxígeno del sistema capilar entren al tejido durante el proceso de transporte. Se ha demostrado que el sistema capilar tiene una función promotora del crecimiento en las células de levadura , lo que ilustra la viabilidad de este tejido artificial. [6]