增材制造的快速發(fā)展推動了各個研究領(lǐng)域和工業(yè)應(yīng)用的革命。在眾多先進(jìn)的3D打印技術(shù)中，雙光子光刻在納米級打印方面具有獨(dú)特的顯著優(yōu)勢，可以直接從計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)模型制造任意三維原型，分辨率高達(dá)100nm，已廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)、材料科學(xué)、機(jī)械和微流體等多個領(lǐng)域。

雙光子光刻

直寫技術(shù)能夠制造具有高空間分辨率和尺寸精度的三維結(jié)構(gòu)。基于激光的直接寫入方法對于3D微結(jié)構(gòu)的制造尤其具有吸引力。雙光子光刻(Two-photon Lithography，TPL)是一種基于非線性光學(xué)過程的激光直寫微細(xì)加工技術(shù)，與傳統(tǒng)立體光刻相比，TPL提供了更高的分辨率，它能夠產(chǎn)生比激光束投射點(diǎn)更小的聚合單元，允許以更高的空間分辨率進(jìn)行真正的3D結(jié)構(gòu)制造。TPL的三維制造特性非常適合復(fù)雜形狀的制造，并有利于超材料的構(gòu)建。

TPL運(yùn)行所依賴的基本現(xiàn)象是雙光子吸收(Two-photon Absorption，TPA)，雙光子吸收的發(fā)生主要在脈沖激光所產(chǎn)生的超強(qiáng)激光焦點(diǎn)處，利用兩個光子同時吸收能量來激發(fā)光敏聚合物的聚合反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)精密的三維結(jié)構(gòu)制造。

圖1 a)TPL 3D打印制造系統(tǒng)的典型裝備示意圖；b)TPA誘導(dǎo)光敏材料在焦點(diǎn)中心固化示意圖

雙光子打印使用材料

1. 丙烯酸酯

丙烯酸酯基光刻膠在TPL中很受歡迎，由于其成本低廉、多功能性、快速加工、具有機(jī)械和光學(xué)上的穩(wěn)定性，被廣泛用于生產(chǎn)醫(yī)療設(shè)備、細(xì)胞支架等。

圖2 A)核心丙烯酸酯官能團(tuán)；B)丙烯酸酯聚合物骨架；C)丙烯酸酯微針；D)用于光束擴(kuò)展的超細(xì)光纖；E)微型霧化器；F)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的細(xì)胞支架；G)丙烯酸酯細(xì)胞支架

2.水凝膠

TPL 中廣泛研究的另一類材料是水凝膠，水凝膠具有與細(xì)胞外基質(zhì)相似的成分，使其成為模仿細(xì)胞 3D 環(huán)境的完美候選者。雖然水凝膠具有強(qiáng)大的仿生特性和較低的細(xì)胞毒性，但機(jī)械穩(wěn)定性較低，因此經(jīng)常需要增強(qiáng)其交聯(lián)度。

圖3 A)明膠型水凝膠肽主鏈之間的物理相互作用；B)由PEG-DA低聚物組成的水凝膠與n個重復(fù)乙二醇單元的化學(xué)相互作用；C-G)水凝膠細(xì)胞支架實(shí)例

3.環(huán)氧樹脂（SU-8）

SU-8是一種獨(dú)特的環(huán)氧基光刻膠，每個單體具有8個環(huán)氧基團(tuán)。由于其良好的加工性能、高分辨率和高機(jī)械強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)的 3D 激光光刻，同樣可通過TPL聚合。SU-8聚合后需要進(jìn)行熱處理，以提高相關(guān)應(yīng)用中的熱穩(wěn)定性。

圖4 A)核心環(huán)氧化物單體官能團(tuán)；B)環(huán)氧聚合物骨架；C)給TPL加工的微機(jī)器人添加鎳鈦涂層；D)螺旋微機(jī)器人；E)垂直打印的SU-8微型機(jī)器人；F+G)由于與涂覆工藝相關(guān)的蒸發(fā)過程而在基板上產(chǎn)生的陰影特寫；H)帶有微粒裝載支架的微游泳機(jī)器人

4.無機(jī)/有機(jī)雜化材料

TPL 最常用的材料之一是混合有機(jī)-無機(jī)光刻膠。有機(jī)部分可以實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能的調(diào)節(jié)、孔隙率的控制，為材料帶來額外的物理或生物性能；而無機(jī)部分使材料具有熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性，還可以改變混合體的折射率，有助于實(shí)現(xiàn)電子、電化學(xué)或活性光子特性。

圖5 A)ORMOCER聚合物的有機(jī)/無機(jī)雜化骨架；B)Ormocer微針；C)微針陣列；D)血漿分離微濾器；E)用于研究光物質(zhì)相互作用的光學(xué)微諧振器

應(yīng)用場景

TPL的加工分辨率可達(dá)百納米精度，且加工過程不需要額外掩模版配合，可加工任意三維結(jié)構(gòu)，因此近年來在許多領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用：

● 生物醫(yī)學(xué)：無痛微針陣列、磁螺旋微機(jī)器人、細(xì)胞支架、組織工程、仿生應(yīng)用

●微機(jī)械結(jié)構(gòu)：精密儀器、傳感器、微型機(jī)器、微流體器件

●光學(xué)器件：衍射光學(xué)元件、成像光學(xué)、光纖傳感、全息彩色打印、拓?fù)涔鈱W(xué)、量子光學(xué)

●數(shù)據(jù)存儲

●研究開發(fā)

結(jié) 語

本公司可提供雙光子光刻代加工及全流程解決方案科研服務(wù)，資源豐富，工藝能力保證，支持大空間(50mm*50mm* 20mm)、多尺寸、多結(jié)構(gòu)高速(100mm/s)打印！

審核編輯：劉清