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Litografía multifotónica

Modelo de un castillo (0,2 mm x 0,3 mm x 0,4 mm) impreso en 3D sobre la punta de un lápiz mediante litografía multifotónica. La litografía multifotónica (también conocida como l...

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Modelo de un castillo (0,2 mm x 0,3 mm x 0,4 mm) impreso en 3D sobre la punta de un lápiz mediante litografía multifotónica.

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 fotorresistencias de tono negativo o positivo con luz de una longitud de onda bien definida. La principal diferencia radica en la ausencia de fotomáscaras . En su lugar, se utiliza la absorción de dos fotones para inducir un cambio en la solubilidad de la resina para los reveladores adecuados. Los principios se han descrito ampliamente en un artículo tutorial reciente que abarca todos los fundamentos, la realización técnica real, diversas aplicaciones y perspectivas futuras [ 1 ].

Animación del proceso de polimerización multifotónica

Por lo tanto, la litografía multifotónica es una técnica para crear estructuras pequeñas en un material fotosensible , sin el uso de láseres de excímeros ni fotomáscaras . Este método se basa en un proceso de absorción multifotónica en un material transparente a 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, el cual puede controlarse para crear un patrón tridimensional arbitrario. Este método se ha utilizado para la creación rápida de prototipos de estructuras con detalles finos.

Representación esquemática del proceso de escritura multifotónica .

La absorción de dos fotones (TPA) es de tercer orden con respecto a la susceptibilidad óptica de tercer orden.χ(3){\displaystyle \chi ^{(3)}}y un proceso de segundo orden con respecto a la intensidad de la luz . Por esta razón, es un proceso no lineal varios órdenes de magnitud más débil que la absorción lineal, por lo que se requieren intensidades de luz muy altas para aumentar el número de tales eventos raros. Por ejemplo, los haces láser fuertemente enfocados proporcionan las intensidades necesarias. Aquí, las fuentes láser pulsadas, con anchos de pulso de alrededor de 100 fs, [ 2 ] son ​​preferidas ya que entregan pulsos de alta intensidad mientras depositan una energía promedio relativamente baja. Para permitir la estructuración 3D, la fuente de luz debe estar adecuadamente adaptada a la fotorresina líquida de manera que la absorción de fotones individuales esté altamente suprimida. La TPA es, por lo tanto, esencial para crear geometrías complejas con alta resolución y precisión de forma. Para obtener los mejores resultados, las fotorresinas deben ser transparentes a la longitud de onda de excitación λ, que está entre 500-1000 nm y, simultáneamente, absorber en el rango de λ/2. [ 3 ] Como resultado, una muestra dada con respecto al haz láser enfocado puede ser escaneada mientras que la solubilidad de la resina cambia solo en un volumen confinado. La geometría de este último depende principalmente de las superficies de isointensidad del foco. Concretamente, aquellas regiones del haz láser que superan un umbral de exposición dado del medio fotosensible definen el bloque de construcción básico, el llamado vóxel . Los vóxeles son, por lo tanto, los volúmenes individuales más pequeños de fotopolímero curado. Representan los bloques de construcción 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 resina y el sistema de inmersión que conduce a la aberración esférica.

Se descubrió que los efectos de polarización en la nanolitografía láser 3D se pueden emplear para ajustar con precisión los tamaños de las características (y la relación de aspecto correspondiente) en la estructuración de fotorresistencias. Esto demuestra que la polarización es un parámetro variable junto con la potencia del láser (intensidad), la velocidad de escaneo (duración de la exposición), la dosis acumulada, etc. Recientemente, se demostró que la reacción de fotopolimerización confinada puede ser causada por varias longitudes de onda, ya sea a través de mecanismos de absorción de 2, 3 o incluso 4 fotones. Por esta razón, se puede llamar litografía 3D de X fotones, refiriéndose a x como el número de fotones que se necesitan absorber una vez que se alcanza cierta intensidad de luz utilizando pulsos de femtosegundos [ 4 ] .

Además, se pueden emplear biorresinas puras renovables derivadas de plantas sin fotosensibilización adicional para la creación rápida de prototipos ópticos. [ 5 ]

Materiales para la polimerización multifotónica

Los materiales empleados en la litografía multifotónica son los que se utilizan normalmente en las técnicas de fotolitografía convencionales. Se pueden encontrar en estado líquido-viscoso, gel o sólido, según las necesidades de fabricación. Las resinas líquidas implican procesos de fijación de muestras más complejos durante la etapa de fabricación, mientras que la preparación de las resinas en sí puede ser más fácil y rápida. Por el contrario, las resinas sólidas se pueden manipular de forma más sencilla, pero requieren procesos complejos y que consumen mucho tiempo. [ 6 ] La resina siempre incluye un prepolímero (el monómero ) y, según la aplicación final, un fotoiniciador . Además, podemos encontrar inhibidores de polimerización (útiles para estabilizar las resinas y reducir el vóxel obtenido), disolventes (que pueden simplificar los procedimientos de moldeo), espesantes (denominados "rellenos" ) y otros aditivos (como pigmentos, etc.) que tienen como objetivo funcionalizar el fotopolímero.

Acrilatos

Los acrilatos son los componentes de resina más difundidos. Se encuentran en muchos procesos de fotolitografía tradicionales que implican una reacción radicalaria . 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 sus excelentes propiedades mecánicas y en su alta reactividad. Los acrilatos presentan una contracción ligeramente mayor en comparación con los epoxis , pero su rápida capacidad de iteración permite una alineación precisa con el diseño. Además, los acrilatos ofrecen una mayor facilidad de uso, ya que eliminan la necesidad de pasos de recubrimiento por centrifugación o horneado  durante el procesamiento. Finalmente, los pasos de polimerización son más rápidos que los de otros tipos de fotopolímeros. [ 6 ] Los metacrilatos están ampliamente difundidos debido a su biocompatibilidad. La mayoría de los materiales para la polimerización de dos fotones son suministrados por empresas que también proporcionan impresoras. Sin embargo, existen resinas de terceros disponibles como ORMOCER, [ 7 ] junto con numerosas resinas de fabricación propia. 

Resinas epoxi

Estas son las resinas más utilizadas en los campos de MEMS y microfluídica . Aprovechan la polimerización catiónica . Una de las resinas epoxi más conocidas es SU-8 , [ 8 ] 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, ampliamente utilizada en objetos micromóviles, [ 9 ] y SCR-500.

Vidrio/cerámica inorgánica

Los vidrios y cerámicas inorgánicos tienen mejor estabilidad térmica y química que los fotopolímeros, y también ofrecen mayor durabilidad debido a su alta resistencia a la corrosión, la degradación y el desgaste. [ 10 ] Por lo tanto, en los últimos años ha habido un interés continuo en el desarrollo de resinas y técnicas que permitan el uso de 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. [ 11 ] [ 12 ] Recientemente, también se ha demostrado la litografía multifotónica de una resina completamente inorgánica para la impresión 3D de vidrios sin involucrar tratamientos térmicos, [ 13 ] lo que permite la impresión 3D de microóptica de vidrio en las puntas de fibras ópticas sin causar daños a la fibra óptica. [ 14 ]

Aplicaciones

Actualmente existen diversos campos de aplicación para los dispositivos microestructurados, fabricados mediante polimerización multifotónica, tales como: medicina regenerativa , ingeniería biomédica , micromecánica , microfluídica , microscopía de fuerza atómica , óptica y ciencias de las telecomunicaciones .

Medicina regenerativa e ingeniería biomédica

Con la llegada de fotopolímeros biocompatibles (como SZ2080 y OMOCERs), se han creado muchos andamios mediante litografía multifotónica hasta la fecha. 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 con un tamaño de característica menor que el de las células ha mejorado drásticamente el campo de la mecanobiología, dando la posibilidad de combinar señales mecánicas directamente en el microambiente celular. [ 15 ] Su aplicación final abarca desde el mantenimiento de la pluripotencia en células madre mesenquimales adultas, como en el andamio NICHOID [ 16 ] que imita in vitro un nicho fisiológico, hasta la generación de andamios diseñados para la migración.

Micromecánica y microfluídica

La polimerización multifotónica puede ser adecuada para realizar dispositivos activos (como bombas) o pasivos (como filtros) de tamaño micrométrico que pueden combinarse con Lab-on-a-chip . Estos dispositivos pueden utilizarse ampliamente acoplados a microcanales, con la ventaja de polimerizarse en canales pre-sellados. En cuanto a los filtros, pueden utilizarse para separar el plasma de los glóbulos rojos, para separar poblaciones celulares (en relación con la dimensión de una sola célula) o, básicamente, para filtrar soluciones de impurezas y residuos. Un filtro 3D poroso, que solo puede fabricarse mediante la 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 de cizallamiento , lo que permite una mayor relación de vacío y, por lo tanto, un funcionamiento más eficiente. En segundo lugar, el filtro poroso 3D puede filtrar eficientemente elementos en forma de disco sin reducir el tamaño del poro a la dimensión mínima de la célula. En cuanto a las microbombas integradas, pueden polimerizarse como rotores independientes de dos lóbulos, confinados en el canal por su propio eje, para evitar rotaciones no deseadas. Estos sistemas se activan simplemente mediante un sistema láser CW focalizado. [ 9 ]

Microscopía de fuerza atómica

Hasta la fecha, las micropuntas para microscopía de fuerza atómica se fabrican mediante técnicas fotolitográficas estándar sobre materiales duros, como oro, silicio y sus derivados. Sin embargo, las propiedades mecánicas de estos materiales requieren procesos de producción costosos y que consumen mucho tiempo para crear o doblar las puntas. La litografía multifotónica permite prototipar y modificar las puntas, evitando así el complejo protocolo de fabricación.

Óptica

Con la capacidad de crear estructuras planas 3D, la polimerización multifotónica puede construir componentes ópticos para guías de onda ópticas , [ 6 ] resonadores , [ 17 ] cristales fotónicos , [ 18 ] y lentes. [ 19 ] [ 20 ]

Referencias

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