Investigation of multi-photon processing parameters and materials

Abstract

Multi-photon polymerization is a microfabrication and nanofabrication technology with a rapidly growing field of applications. It is based on the simultaneous absorption of two or more photons to excite a molecule to an energy state higher than the energy of the individual photons. This phenomenon was initially seen as a scientific curiosity with limited practical applications. Due to the advancement of ultrashort pulsed lasers, this phenomenon has been employed for stereolithographic methods such as 2-photon polymerization (2PP). By tightly focusing a pulsed laser into photosensitive resin, arbitrary 3-dimensional (3D) structures with feature resolution of a few hundred nanometers can be produced. Compared to conventional additive manufacturing (AM) technologies, 2PP can produce intricate geometries within the resin without the need to deposit new material in a layer-by-layer fashion. Its unrivaled spatial resolution allows the production of microscaffolds which are of interest for biomedical applications. This thesis presents a comprehensive study of parameters governing 2PP and materials for tissue engineering. To render 2PP of interest for in vivo applications requires high processing speeds. However, the resolution of 2PP creates a major bottleneck, as the fabrication time is significantly higher than for conventional AM methods. In addition, most photoinitiators (PIs) used for 2PP require long exposure times to initiate polymerization, leading to slower scanning speeds. In an initial step, a z-scan setup was developed, capable of characterizing the 2-photon absorption (2PA) in a wide spectral range. This allowed the screening of newly synthesized PIs and the determination of the peak absorption wavelength. Matching the wavelength used for 2PP to the maximum 2PA absorption, significantly improved the performance of the 2PP system and allowed to increase the writing speed. As a thorough understanding of the material performance at higher writing speeds is essential when upscaling the fabrication process, a closer examination of the required laser power for polymerization (Pth) for fabrication speeds up to 100mm per second was carried out. From the results, it was concluded that for these fabrication speeds, Pth was significantly lower than predicted by the established model. It was therefore possible, to increase the scanning speed, without exceeding the available laser power. Recently, 2PP was proposed as a third strategy in tissue engineering to bridge two distinct trends. This synergetic approach aims to load highly porous microscaffolds with dense cell spheroids. Based on the principle of self assembly multiple scaffolds are able to fuse and create tissue while the 3D-scaffolds provide initial mechanical support. Materials processable with 2PP, that exhibit these properties, are based on glass like matrices, which cannot be degraded by the body, limiting the natural remodeling capacity of the tissue. In this work, polymers based on biodegradable polycaprolactone (PCL) were studied to produce biocompatible scaffolds. The versatility of 2PP for biomedical applications was demonstrated in two studies. Microcages were produced to trap neurons using standing Faraday waves. Lastly, microscaffolds for hair implants were produced, which successfully induced the growth of human hair follicles from human induced pluripotent stem cells (hi-PSC). The fast production of highly detailed, biodegradable microscaffolds via 2PP showcases the tremendous potential of this technology for tissue engineering.

Multi-Photonen Polymerisation ermöglicht die Produktion hochauflösender dreidimensionaler (3D) Strukturen. Sie basiert auf dem Phänomen der nichtlinearen Absorption, bei dem ein Molekül zwei oder mehrere Photonen simultan absorbiert. Die Energiedifferenz zum angeregten Zustand beträgt die Summe der einzelnen Photonen. Anfänglich noch als wissenschaftliches Kuriosum mit limitierter Anwendung wahrgenommen, erlaubten Ultrakurzpulslaser eine Vielzahl neuer Applikationen. Eine solche ist die 2-Photonen Polymerisation (2PP). Hierbei wird gepulstes Laserlicht in ein photosensitives Harz fokussiert, wodurch 3D-Geometrien mit einer Auflösung von einigen hundert Nanometern produziert werden können. Verglichen mit konventionellen Additiven Fertigungstechniken besteht keine Notwendigkeit für eine Schicht-für-Schicht Auftragung des zu verarbeitetenden Harzes. Die Auflösung von 2PP ist unerreicht in der Additiven Fertigungstechnik und erlaubt die Produktion präziser Gerüststrukturen für biomedizinische Anwendungen. Diese Doktorarbeit umfasst eine umfangreiche Studie von Parametern, die den 2PP-Prozess beeinflussen. Für in vivo Anwendungen wird ein hoher Durchsatz benötigt. Hier stellt die Auflösung der Technologie einen möglichen Engpass dar, da die Produktionsgeschwindigkeit von 2PP um ein vielfaches höher ist, als bei konventionellen stereolithographischen Verfahren. Des Weiteren benötigen 2-Photonen Photoinitiatoren lange Belichtungszeiten, wodurch langsame Scangeschwindigkeiten bedingt werden. Eine vollständig automatisierte Z-Scan Messandordnung wurde entwickelt, um die spektrale Absorption von 2-Photon-aktiven Komponenten zu vermessen. Eine Übereinstimmung der Wellenlänge, welche für 2PP verwendet wurde, mit dem Maximum der 2-Photonen Absorption sorgte für eine deutliche Erhöhung der Prozesseffizienz. Um das Polymerisationsverhalten von Materialien bei erhöhten Scangeschwindigkeiten zu verstehen, wurde die minimal benötigte Laserleistung (Pth) für Geschwindigkeiten von bis zu 100 mm pro Sekunde untersucht. Die ermittelten Werte für Pth lagen deutlich unter den berechneten Trends, welche auf vergleichbaren Studien basierten. Die Ergebnisse erlaubten eine deutliche Steigerung der Fabrikationsgeschwindigkeit. Ein weiterer Fokus wurde auf Materialien mit Potential für Anwendungen in der regenerativen Medizin gelegt. Hierfür wurden Präpolymere basierend einem biokompatiblen und biodegradierbaren Polycaprolacton-Backbone untersucht. Das Potential von 2PP als Werkzeug für neuartige Lösungsansätze in der Gewebezüchtung wurde in zwei Studien veranschaulicht. Periodisch angeordnete Mirkostrukturen wurden produziert. Diese wurden mithilfe stehender Wellen mit neuronalen Zellen besiedelt. In der zweiten Studie wurden 2PP-Strukturen für Haarimplantate produziert, die mit Keratinozyten und induzierten pluripotenten Stammzellen beladen wurden. Nach Implantation generierten die Zellen menschliche Haarfollikel. Die rasche Produktion von Gerüststrukturen basierend auf biodegradierbaren und biokompatiblen Materialien veranschaulicht das Potential von 2PP für biomedizinische Anwendungen.