雙光子聚合技術(shù)制造玻璃陶瓷

供稿人:任輝 劉亞雄

雙光子聚合技術(shù)（two-photon polymerization，TPP）由于其超高的加工精度使得其能夠進(jìn)行滿足微納米結(jié)構(gòu)的增材制造，其加工原理如圖1所示。飛秒激光器通過PS1與PS2兩級功率衰減后可以實現(xiàn)光源功率功率精確的控制，之后通過光路系統(tǒng)進(jìn)行濾光、擴(kuò)束后，最后經(jīng)過大數(shù)值孔徑的物鏡Obj對可光固化材料進(jìn)行制造。同時，樣品也被紅色LED照亮使得CMOS攝像頭能夠?qū)崟r監(jiān)控制造過程。傳統(tǒng)單光子聚合在光線通過的地方都能發(fā)生聚合反應(yīng)，而雙光子聚合要求化合物同時吸收兩個光子，聚合反應(yīng)只能發(fā)生在光很強(qiáng)的地方，一般需要光束聚焦方可，因此，雙光子聚合是點聚合。

圖1 雙光子技術(shù)原理圖解

SZ2080是一種新型的有機(jī)—無機(jī)基團(tuán)聚合材料，立陶宛Vilnius University的Linas等人[1]通過TPP技術(shù)進(jìn)行了該材料的相關(guān)研究。由于發(fā)現(xiàn)純SZ2080材料不需要光引發(fā)劑即可進(jìn)行光固化，研究團(tuán)隊通過以不同的激光功率與掃描速度對同一模型進(jìn)行制造，確定了TPP工藝制造純SZ2080以及添加1wt%光引發(fā)劑369的工藝窗口，如圖2所示，綠、黃、紅三色線框內(nèi)分別表示模型特征成型良好、較差、幾乎不能成型。

圖2 激光功率與掃描速率對模型成型情況的影響

由于SZ2080中含有硅和鋯的無機(jī)基團(tuán)，可以通過燒結(jié)得到玻璃陶瓷支架，如圖3所示。此外，該材料已經(jīng)研發(fā)出含硅、鋯、鍺等一系列可用于TPP技術(shù)制造的原材料，因此Linas等人認(rèn)為該在生物陶瓷植入支架方面前景廣闊。但是目前由于雙光子技術(shù)加工緩慢、成型尺寸小等問題的存在[2]，雙光子技術(shù)在生物醫(yī)用材料加工的方面受到了很大的限制，相關(guān)研究也是停留在組織工程微納結(jié)構(gòu)的研究上。

圖3 SZ2080支架燒結(jié)前后尺寸對比

參考文獻(xiàn)：
Jonušauskas L, Gailevičius D, Mikoliūnaitė L, et al. Optically Clear and Resilient Free-Form μ-Optics 3D-Printed via Ultrafast Laser Lithography[J]. Materials, 2017, 10(1):12.


來源：    供稿人:任輝 劉亞雄 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室