双光子聚合技术制造玻璃陶瓷

供稿人:任辉 刘亚雄

双光子聚合技术（two-photon polymerization，TPP）由于其超高的加工精度使得其能够进行满足微纳米结构的增材制造，其加工原理如图1所示。飞秒激光器通过PS1与PS2两级功率衰减后可以实现光源功率功率精确的控制，之后通过光路系统进行滤光、扩束后，最后经过大数值孔径的物镜Obj对可光固化材料进行制造。同时，样品也被红色LED照亮使得CMOS摄像头能够实时监控制造过程。传统单光子聚合在光线通过的地方都能发生聚合反应，而双光子聚合要求化合物同时吸收两个光子，聚合反应只能发生在光很强的地方，一般需要光束聚焦方可，因此，双光子聚合是点聚合。

图1 双光子技术原理图解

SZ2080是一种新型的有机—无机基团聚合材料，立陶宛Vilnius University的Linas等人[1]通过TPP技术进行了该材料的相关研究。由于发现纯SZ2080材料不需要光引发剂即可进行光固化，研究团队通过以不同的激光功率与扫描速度对同一模型进行制造，确定了TPP工艺制造纯SZ2080以及添加1wt%光引发剂369的工艺窗口，如图2所示，绿、黄、红三色线框内分别表示模型特征成型良好、较差、几乎不能成型。

图2 激光功率与扫描速率对模型成型情况的影响

由于SZ2080中含有硅和锆的无机基团，可以通过烧结得到玻璃陶瓷支架，如图3所示。此外，该材料已经研发出含硅、锆、锗等一系列可用于TPP技术制造的原材料，因此Linas等人认为该在生物陶瓷植入支架方面前景广阔。但是目前由于双光子技术加工缓慢、成型尺寸小等问题的存在[2]，双光子技术在生物医用材料加工的方面受到了很大的限制，相关研究也是停留在组织工程微纳结构的研究上。

图3 SZ2080支架烧结前后尺寸对比

参考文献：
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.


来源：    供稿人:任辉 刘亚雄 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室