Investigation of Two-Photon Polymerization Technique for Applications in Photonics and Biomedicine
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Beschreibung
Ein entscheidender Faktor für Fortschritte in der Nanotechnologie ist die Entwicklung von Nano- und
Mikrofabrikationstechniken mit höchster Genauigkeit.
Femtosekundenlasertechnologien, welche auf nichtlinearer Licht-Materie-Wechselwirkung basieren,
schaffen die Möglichkeit einer kosteneffizienten Strukturherstellung mit hoher Auflösung sowie
herausragender Flexibilität. Diese Technologien sind seitens der Industrie durch die aktuellen
Fortschritte in der Entwicklung von industrietauglichen Ultrakurzpuls-Lasersystemen verstärkt in den
Fokus gerückt.
Zwei-Photonen Polymerisation (2PP) ist ein neuartiges direktes Laserschreibverfahren welches auf
Zweiphotonenabsorption der Laserstrahlung in photosensitiven Materialien beruht. Hierbei wird eine
lokal stark eingeschränkte chemische Reaktion durch Mehrphotonenabsorption von
Femtosekundenlaserpulsen im Fokus induziert, welche zu einer Modifikation des Materials führt.
Dieses kann beispielsweise ein Umwandlungsprozess von flüssigem zu festem Material während der
Polymerisation sein. Durch das dreidimensionale (3D) Führen des Laserfokus wird eine Spur
modifizierten Materials erzeugt. Im nächsten Schritt wird das nicht modifizierte Material durch ein
geeignetes Lösungsmittel entfernt, und die gefertigte Struktur wird sichtbar.
Im Gegensatz zu konventionellen laserbasierten Mikrofabrikationstechniken, die Strukturen via
Materialabtrag erzeugen, erlaubt 2PP die Herstellung von komplexen 3D-Strukturen. Eine minimale
Auflösung von unter 100nm und die Möglichkeit 3D-Strukturen direkt aus einer CAD-Datei
generieren zu können, machen 2PP zu einer einzigartigen Herstellungstechnik. Ein großer Vorteil der
2PP-Technik ist, dass konventionelle UV-Photopolymerisation bereits umfangreich erforscht wurde
und in vielen technischen Applikationen eingesetzt wird. Die Vielseitigkeit sowie die große Anzahl
verwendbarer Materialien trägt maßgeblich dazu bei, dass es eine Vielzahl unterschiedlicher
Anwendungen für diese Technik gibt.
Diese Arbeit präsentiert die Ergebnisse der Entwicklung der fundamentalen 2PP-Technik und die
Untersuchung verschiedener Einsatzgebiete dieses Verfahrens. Es wurden kommerziell erhältliche
sowie neuartige photosensitive Materialien, die sich durch radikalische Polymerisation verarbeiten
lassen, im Hinblick auf die minimale Auflösung, Reproduzierbarkeit und Bearbeitungsgenauigkeit
untersucht.
Ein wichtiges Anwendungsgebiet, in dem Hybridmaterialien besondere Vorteile infolge ihrer hohen
optischen Qualität aufweisen, ist die mikrooptische Photonik. Mittels 2PP konnten refraktive
mikrooptische Elemente mit hoher Präzision hergestellt werden. Die hohe Flexibilität erlaubt schnelle
Design-Änderungen einzelner Elemente in unterschiedlichen Variationen. Sie ist damit ein
einzigartiges Rapid-Prototyping-Verfahren für die Herstellung von Mikrooptiken.
Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Herstellung dreidimensionaler photonischer Kristalle. Diese
periodischen Strukturen werden als optisches Äquivalent zu elektrischen Halbleitern betrachtet.
Photonische Kristalle besitzen das Potential, die Informationsübertragung zu revolutionieren, indem
sie die Realisierung von rein optischen Schaltkreisen ermöglichen.
Mittels der 2PP-Technik wurden systematische Untersuchungen zur Herstellung von Woodpile- sowie
spiralbasierten photonischen Kristallen durchgeführt. Ihre optischen Charakteristika wurden optimiert.
Biomedizinische Applikationen von mittels 2PP hergestellten Strukturen stehen im Fokus jüngster
Untersuchungen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei solcher Anwendungen untersucht: die 2PPHerstellung
von Mikrostrukturen für das subkutane Drug Delivery, Mikroimplantate sowie
Stützgerüste (Scaffolds) für das Tissue Engineering.
Ein Überblick über die jüngsten Veröffentlichungen im Bereich der 2PP-Technik zeigt, dass diese
Methode weltweit von einer steigenden Anzahl wissenschaftlicher Arbeitsgruppen verwendet wird.
Aktuell sind im Verlauf dieser Arbeit fünfzehn Peer-review-Publikationen, zahlreiche Beiträge auf
Fachkonferenzen sowie drei Buchkapitel entstanden.
Autor*in
Aleksandr Ovsianikov