Rosyjscy naukowcy opracowali dodatek pozwalający utwardzać żywicę światłem podczerwonym

Właściwości promieniowania ultrafioletowego, którym utwardza się żywice stosowane w drukarkach 3D ograniczają zastosowania technik przyrostowych opartych na stereolitografii, w szczególności zmniejszają ich użyteczność w inżynierii biomedycznej. Technika stereolitografii dwufotonowej korzysta z biokompatybilnego promieniowania IR, ale jest czasochłonna i kosztowna. Naukowcy z Moskwy opracowali dodatek do typowych żywic światłoutwardzalnych, który pozwala sieciować je za pomocą lasera diodowego emitującego promieniowanie podczerwone, co jest szybszą i tańszą alternatywą.

Stosowane w druku 3D żywice światłoutwardzalne oraz generalnie większość światłoutwardzalnych polimerów ulega sieciowaniu pod wpływem promieniowania UV. W drukarkach wykorzystuje lasery półprzewodnikowe bazujące na azotku galu, emitujące światło o długości 405 nm. Takie lasery wykorzystuje się także do odczytu i zapisu informacji w systemie Blu-ray (faktycznie światło jest raczej fioletowe, a nie „blu”).

W niektórych sytuacjach wykorzystanie promieniowania UV może być niekorzystne. W szczególności nie nadawałoby się ono do drukowania przestrzennego w obrębie żywych tkanek – nadfiolet powoduje uszkodzenie struktur biologicznych i jest szybko pochłaniany. Tak zwane okno terapeutyczne dla promieniowania elektromagnetycznego, czyli zakres długości światła, które głęboko penetruje tkanki i powoduje mniej uszkodzeń, to przedział 600-1000 nm. Mieści się w nim promieniowanie czerwone i podczerwone.

Może się wydawać, że zjawisko fizyczne leżące u podstaw fotopolimeryzacji wyklucza zastosowanie promieniowania IR. Do wytworzenia rodników inicjujących polimeryzację wymagane jest dostarczenie odpowiedniej porcji energii. Foton promieniowania UV przenosi jej dostatecznie dużo, ale już foton z zakresu podczerwieni nie zainicjuje reakcji. Problem udało się rozwiązań w technice stereolitografii dwufotonowej – silny impuls laserowy może spowodować jednoczesną absorbcję przez cząsteczkę dwóch fotonów, które w sumie mają wystarczająco dużo energii do wywołania reakcji. Stereolitografia dwufotonowa okazuje się jednak metodą czasochłonną i wymaga stosowania bardzo mocnych laserów, które też mogą uszkadzać materiał  i są kosztowne.

Naukowcy z Rosyjskiej Akademii Nauk zaproponowali alternatywne podejście. Do żywicy dodali nanocząstki wzbogacone jonami lantanowców: iterbu oraz tulu. Dzięki zawartości tych dość egzotycznych pierwiastków nanocząstki mają bardzo ciekawe właściwości – mogą absorbować kilka fotonów o niższej energii, by następnie wyemitować jeden o energii wyższej. W tym przypadku absorbowały promieniowanie IR (975 nm) i emitowały UV utwardzające żywicę.

Rosyjscy naukowcy przetestowali swoją metodę drukując przestrzenne mikrostruktury. Drukowanie tym sposobem jest według nich szybsze od stereolitografii dwufotonowej, wymaga lasera o stosunkowo niewielkiej mocy i jest kompatybilne z typowymi żywicami utwardzanymi promieniowaniem UV. Potencjalnych zastosowań dopatrują się w inżynierii tkankowej, do odbudowywania fragmentów organów z wykorzystaniem polimerów. Wydaje się to raczej przyszłościową wizją, ale na wszelki wypadek w artykule opisującym nową metodę autorzy zastrzegli, że przed rozpoczęciem testów in vivo zalecają testy na biozgodność ich materiału.

Źródło: nature.com, sputniknews.com