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Zwei-Photonen-Polymerisation als Methode zur Herstellung medizintechnischer Funktionselemente

Trautmann, Anika (2019):
Zwei-Photonen-Polymerisation als Methode zur Herstellung medizintechnischer Funktionselemente.
Darmstadt, Technische Universität, [Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8363],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

Zur Anfertigung von komplexen dreidimensionalen Strukturen für Anwendungen in der Photonik, Mikrofluidik oder Medizintechnik sind dreidimensionale Lithografieverfahren von besonderer Bedeutung. Eine vielversprechende Methode ist dabei das Laserdirektschreiben mittels Zwei-Photonen-Polymerisation. Diese ermöglicht es innerhalb eines Prozessschritts dreidimensionale Strukturen mit einer Genauigkeit im Submikrometerbereich zu generieren. Dafür wird ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge, die sich für Zwei-Photonen-Polymerisation eignet, in ein fotoempfindliches Material fokussiert. Im Bereich des Fokus kommt es bei einer ausreichend hohen Strahlungsintensität zu einer punktuellen Modifikation des Materials. Durch Verfahren des Fokus im Material können zuvor definierte dreidimensionale Objekte präzise angefertigt werden. Das Laserdirektschreiben mittels Zwei-Photonen-Polymerisation hat somit den Vorteil, dass beliebige Formen unabhängig von einer Schicht für Schicht Herstellung und mit einer hohen Genauigkeit hergestellt werden können. Die charakteristische punktuelle Aushärtung des Materials und die daraus resultierende lange Herstellungszeit für makroskopische Objekte begrenzen bislang jedoch die Anwendbarkeit. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Zwei-Photonen-Polymerisation als Methode zur Herstellung medizintechnischer Funktionselemente verwendet und zugleich betrachtet, wie der Herstellungsprozess dabei deutlich optimiert und mit weiteren Methoden in hybriden Verfahren kombiniert werden kann. Zunächst wurde vertiefend auf den Herstellungsprozess eingegangen. Dabei wurde das Gesamtsystem zur Fertigung von dreidimensionalen Objekten verbessert und das Polymerisationsverhalten verschiedener fotoempfindlicher Materialien untersucht. Zudem wurden Konzepte zur Optimierung des Verfahrens betrachtet. Es wurde eine zeitsparende Single-line single-pass Schreibtechnik zur Herstellung von makroskopischen Gerüststrukturen umgesetzt. Das Verhalten von Fibroblasten auf diesen Strukturen wurde studiert und Zelladhäsion, Zellproliferation und dreidimensionales Zellwachstum beobachtet. Durch die Vereinigung des Laserdirektschreibens von Mikronadeln und des Erzeugens von Mikrokanälen mittels Ultrakurzpulslaser wurde überdies ein neuer aussichtsreicher Ansatz zur Herstellung mikronadelbasierter Systeme demonstriert. Ein in dieser Arbeit präsentiertes hybrides Verfahren, welches Laserdirektschreiben und Stereolithografie kombiniert, ermöglicht darüber hinaus eine präzise und schnelle Fertigung von makroskopischen dreidimensionalen Objekten mit hochaufgelösten funktionalen Merkmalen und erweitert damit das Anwendungsspektrum der Zwei-Photonen-Polymerisation im Bereich der Medizintechnik.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2019
Creators: Trautmann, Anika
Title: Zwei-Photonen-Polymerisation als Methode zur Herstellung medizintechnischer Funktionselemente
Language: German
Abstract:

Zur Anfertigung von komplexen dreidimensionalen Strukturen für Anwendungen in der Photonik, Mikrofluidik oder Medizintechnik sind dreidimensionale Lithografieverfahren von besonderer Bedeutung. Eine vielversprechende Methode ist dabei das Laserdirektschreiben mittels Zwei-Photonen-Polymerisation. Diese ermöglicht es innerhalb eines Prozessschritts dreidimensionale Strukturen mit einer Genauigkeit im Submikrometerbereich zu generieren. Dafür wird ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge, die sich für Zwei-Photonen-Polymerisation eignet, in ein fotoempfindliches Material fokussiert. Im Bereich des Fokus kommt es bei einer ausreichend hohen Strahlungsintensität zu einer punktuellen Modifikation des Materials. Durch Verfahren des Fokus im Material können zuvor definierte dreidimensionale Objekte präzise angefertigt werden. Das Laserdirektschreiben mittels Zwei-Photonen-Polymerisation hat somit den Vorteil, dass beliebige Formen unabhängig von einer Schicht für Schicht Herstellung und mit einer hohen Genauigkeit hergestellt werden können. Die charakteristische punktuelle Aushärtung des Materials und die daraus resultierende lange Herstellungszeit für makroskopische Objekte begrenzen bislang jedoch die Anwendbarkeit. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Zwei-Photonen-Polymerisation als Methode zur Herstellung medizintechnischer Funktionselemente verwendet und zugleich betrachtet, wie der Herstellungsprozess dabei deutlich optimiert und mit weiteren Methoden in hybriden Verfahren kombiniert werden kann. Zunächst wurde vertiefend auf den Herstellungsprozess eingegangen. Dabei wurde das Gesamtsystem zur Fertigung von dreidimensionalen Objekten verbessert und das Polymerisationsverhalten verschiedener fotoempfindlicher Materialien untersucht. Zudem wurden Konzepte zur Optimierung des Verfahrens betrachtet. Es wurde eine zeitsparende Single-line single-pass Schreibtechnik zur Herstellung von makroskopischen Gerüststrukturen umgesetzt. Das Verhalten von Fibroblasten auf diesen Strukturen wurde studiert und Zelladhäsion, Zellproliferation und dreidimensionales Zellwachstum beobachtet. Durch die Vereinigung des Laserdirektschreibens von Mikronadeln und des Erzeugens von Mikrokanälen mittels Ultrakurzpulslaser wurde überdies ein neuer aussichtsreicher Ansatz zur Herstellung mikronadelbasierter Systeme demonstriert. Ein in dieser Arbeit präsentiertes hybrides Verfahren, welches Laserdirektschreiben und Stereolithografie kombiniert, ermöglicht darüber hinaus eine präzise und schnelle Fertigung von makroskopischen dreidimensionalen Objekten mit hochaufgelösten funktionalen Merkmalen und erweitert damit das Anwendungsspektrum der Zwei-Photonen-Polymerisation im Bereich der Medizintechnik.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 05 Department of Physics
05 Department of Physics > Institute of Applied Physics
05 Department of Physics > Institute of Applied Physics > Laser und Quantenoptik
Date Deposited: 20 Jan 2019 20:55
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8363
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-83630
Referees: Walther, Prof. Dr. Thomas and Hellmann, Prof. Dr. Ralf
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 12 December 2018
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
Three-dimensional lithography processes enable the fabrication of complex threedimensional structures for photonic, microfluidic or medical applications. Laser direct writing via two-photon polymerization is a promising method to realize these structures. It is used to generate three-dimensional structures with an accuracy of sub-micrometer during a single process step. A laser beam with a wavelength suitable for two-photon polymerization is focused into a photosensitive material. If the light intensity around the focal point is high enough, the material is polymerized by pinpoint modification. Three-dimensional pre-defined structures are precisely fabricated by moving the focal point through the material. Thus, the advantages of laser direct writing via two-photon polymerization are high precision and a fabrication of arbitrary structures regardless of layer by layer fabrication. Nevertheless, the point-by-point fabrication leads to high production times and so far limits the applicability. In the present thesis, two-photon polymerization has been used as a method to fabricate medical devices. Significant improvements in the fabrication process and the combination of this method in hybrid approaches are shown. The two-photon polymerization process, several photosensitive materials and new concepts for optimizing the process are addressed. Furthermore, a fast single-line single-pass fabrication process is introduced to fabricate macroscopic scaffolds. A cell study analyzes the cellular behavior of fibroblasts on these scaffolds and demonstrates cell adhesion, proliferation, and three-dimensional cell growth. Moreover, combining femtosecond direct laser written microneedles with femtosecond laser generated microfluidic channels provides a novel and important approach in the field of microneedle-based microfluidic systems. In addition, this thesis presents a process combining two-photon polymerization and stereolithography for precise and fast fabrication of macroscopic three-dimensional structures featuring microscale and nanoscale characteristics. This hybrid process extends the applicability of the process towards larger medical devices.English
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