Comprensione della polimerizzazione a due fotoni per applicazioni biomediche
Metodi specializzati, come la polimerizzazione a due fotoni (2PP), sono una potente tecnologia per fabbricare micro e nanostrutture 3D, con applicazioni nell’innovazione della tecnologia quantistica , micro-ottiche stampate in 3D , dispositivi microfluidici, biomedicina, elettronica, comunicazioni e altro ancora. Aziende come Nanoscribe stanno sfruttando la potenza del 2PP per dispositivi medici e altro , e molti scienziati stanno esaminando il 2PP per diverse applicazioni, come Alexander Nguyen, un ingegnere biomedico che lavora con 2PP presso il Dipartimento congiunto di ingegneria biomedica dell’Università della Carolina del Nord e North Carolina State University che ha esaminato i vantaggi e le sfide dell’utilizzo di 2PP per applicazioni biologiche. Nel suo documento “Polimerizzazione a due fotoni per applicazioni biologiche ” , descrive 2PP come uno strumento unico per eseguire la produzione additiva per applicazioni biologiche poiché le strutture di geometria arbitraria sulla scala dimensionale della cellula o delle strutture sub-cellulari possono essere riprodotte in modo affidabile. Inoltre, spiega che il 2PP utilizza l’ assorbimento a due fotoni della luce nel vicino infrarosso (NIR) per eccitare la stessa transizione energetica dei fotoni ultravioletti (UV) . 3DPrint.com ha contattato Nguyen per ulteriori informazioni sull’uso di 2PP per applicazioni biologiche e biomediche .
In che modo 2PP è ideale per applicazioni biomediche?
“Ci sono molte domande di ricerca che richiedono una risoluzione inferiore al micron per indagare che sarebbe altrimenti impossibile da realizzare con altre tecniche di stampa 3D. Ad esempio, i primi progetti su cui ho lavorato riguardavano l’ingegneria tissutale dei vasi sanguigni e dei capillari. In passato c’è stata molta stampa sulla stampa 3D di organi completi, ma qualsiasi cosa più spessa di un pezzo di carta sarebbe impossibile a meno che non si disponga di vasi per trasportare ossigeno e sostanze nutritive alle cellule. Poiché i nostri capillari sono su scala micron, altre tecnologie di stampa 3D come la bioprinting dell’estrusione o persino la stereolitografia non sarebbero in grado di fabbricare con una risoluzione sufficiente. La risoluzione sub-micron di 2PP ci mette nel campo corretto per tentare questa sfida.
“Siamo sempre in grado di trovare applicazioni adatte a qualsiasi strumento, quindi forse il vero motivo per cui abbiamo iniziato a utilizzare 2PP per applicazioni biomediche è che è facile iterare i progetti. Il termine “prototipazione rapida” sembra andare fuori moda per queste tecnologie, ma ritengo che questo sia il più grande vantaggio della stampa 3D. Con la mia stampante FDM di casa, ho rapidamente creato un file CAD per un montaggio rivelatore e l’ho installato un’ora dopo. In modo simile, qualsiasi cosa nella scala dimensionale appropriata per 2PP può essere realizzata abbastanza facilmente con costi di opportunità ridotti. Di recente, mi è stato chiesto di realizzare un modello di una cellula retinica retinica; tre ore dopo, avevo qualcosa in mano. In un campo in cui c’è così tanta variabilità da paziente a paziente, è importante avere la flessibilità di provare nuove cose. “
Quali progressi possiamo aspettarci in 2PP?
“I sistemi commerciali 2PP basati sulla tecnologia attuale esistono ma sono piuttosto costosi e si trovano nelle camere bianche. L’aggiunta di più componenti, come un modulatore della luce spaziale o l’amplificazione del chirped, aumenterebbe le prestazioni, ma aumenterebbe anche i costi e diminuirà l’usabilità. A mio avviso, i progressi nel 2PP per le applicazioni biomediche non implicherebbero il miglioramento del 2PP stesso, ma piuttosto l’integrazione con altri sistemi per migliorare sinergicamente il processo. “
Ad esempio…?
“Il 2PP promette grandi miglioramenti in due aree principali ed è in attesa di integrazione. Abbiamo già menzionato l’alta risoluzione del processo, ma per me questo è solo un miglioramento incrementale della stereolitografia a scansione laser. La cosa più eccitante è la capacità di disegnare all’interno della massa del fotopolimero, non solo sulla superficie. La stampa 3D è spesso descritta come un processo ‘strato per strato’, ma ciò non è vero con 2PP. Quando fu costruita la Torre Eiffel, sarebbe stato piuttosto sciocco costruirla con un gruppo di piatti piatti di metallo; è costruito con puntoni. Dato che il voxel in 2PP può muoversi in qualsiasi direzione, immagina quanto velocemente un modello della Torre Eiffel verrebbe stampato usando un approccio di scansione 3D rispetto a un approccio strato per strato. Ora unisci questa promessa con un processo di stereolitografia a scansione laser esistente. Diciamo che il laser UV fabbrica il grande, porzioni piatte con un’altezza dello strato di 10 micron. 2PP potrebbe riempire le caratteristiche sottili o interpolare ai bordi per rimuovere l’artefatto della scala ovunque all’interno di quello strato da 10 micron. Questo potrebbe essere un metodo per ottenere strutture su scala centimetrica con risoluzione sub-micron ma questa integrazione è più facile a dirsi che a farsi. “
Prevedi che più ricercatori cercheranno di utilizzare questa tecnologia in futuro?
“Raggiungere un uso più generalizzato non richiede miglioramenti più arcani del 2PP, ma piuttosto ingegneri creativi che sono consapevoli delle capacità di questa tecnologia e possono sfruttarla appieno piuttosto che trattarla come una stereolitografia su micro / nanoscala. Per questo, i progressi dovrebbero essere miglioramenti nell’usabilità, come software e algoritmi aggiuntivi per rompere dall’approccio strato per strato, integrazione con altre tecnologie per raggiungere nuovi tipi di struttura (ad esempio, la combinazione di 2PP con microfluidica per ottenere multi -stampa materiale o 2PP e stereolitografia UV per migliorare notevolmente la risoluzione di oggetti di grandi dimensioni.)
“È lo sfortunato stato della ricerca moderna” pubblica o perisci “che scoprire qualcosa di nuovo sia preferito allo sviluppo orizzontale della tecnologia o addirittura alla replica di esperimenti. Ciò si traduce in “silos” scientifici in cui un gruppo di ricerca è focalizzato sul laser su una tecnologia e talvolta può trascurare soluzioni alternative a una sfida. Ritengo che il principale avanzamento di cui il 2PP ha bisogno sia la divulgazione, questo significa creare ponti tra questi silos per costruire un sistema maggiore della somma delle sue parti. Infine, la più grande barriera che potrebbe essere risolta sarebbe l’usabilità poiché questi sistemi avranno bisogno di un software di controllo di facile comprensione. Una crescente area di necessità in questo campo di ricerca è lo sviluppo di software robusto, in modo da poter davvero utilizzare alcune competenze lì. ”
Hai lavorato a qualche nuovo progetto usando 2PP di recente?
“Esistono sistemi commerciali 2PP che si trovano attualmente in molte università ma, per quanto ne sappia, non ci sono dispositivi medici realizzati con 2PP sul mercato. Facendo un ulteriore passo indietro, ci sono pochissimi impianti realizzati con fotopolimeri ad eccezione di quelli nel campo dentale. Poiché i polimeri e i fotoiniziatori usati con 2PP possono essere tossici, il mio recente lavoro si è concentrato sulla misurazione della sicurezza dei fotopolimeri per l’uso con cellule o tessuti incorporati. Attualmente sto conducendo studi per verificare se l’esposizione simultanea alla luce e al fotoiniziatore può causare mutazioni genetiche mediante saggi in vitro. “
