Microfabrication by stereolithography of UV-curable polymers

In the present work, polymeric cantilever-based magnetic sensors, accelerometers, microtubes and scaffolds were fabricated by means of stereolithography (SL). To print polymeric cantilever-based magnetic sensors, a UV-curable system was formulated by blending a bifunctional acrylic monomer with photoinitiator and visible dye. Subsequently, in order to confer ferromagnetic properties to the photopolymer, two different strategies were implemented. A two-step approach involved selectively deposit a metal layer on photopolymer SL-cured surfaces through an electroless plating process. On the other hand, SL-processable ferromagnetically-responsive nanocomposites (FRCs) were obtained by directly loading magnetite nanoparticles within the photopolymer matrix. As a demonstration of the feasibility of the two approaches, the magnetic beams were successfully actuated and their sensing performances, in terms of static deflection vs magnetic field applied, was qualitatively studied. In-plane and out of plane accelerometers was printed with the same non-magnetic photopolymeric resin used for cantilevers and with a commercial resin (DL 260). A comparison between dimensions obtained in the two cases was done with respect to the designed ones. Microtubes were printed with the magnetic photopolymer, studied for producing cantilever tips. Then, they were magnetically characterised and tested. Finally, biomedical scaffolds were printed in two different ways: using a photopolymer constituted by a biocompatible prepolymer (polyethylene glycol diacrylate), a photoinitiator and a yellow dye or utilizing biocompatible and biodegradable polypropylene fumarate (PPF), as prepolymer, a photoinitiator and inorganic magnetite particles. In the first case, scaffolds were printed with dimensions progressively scaled down up to reaching the printability limit found in literature. In the second case, PPF was synthetized starting from different reactants: fumaric acid and propylene glycol; maleic anhydride and propylene glycol. After having optimized the photocurable resin, only a prototype of biocompatible and biodegradable scaffold was obtained.

Nel presente lavoro, per mezzo della stereolitografia, sono stati stampati cantilevers con funzione di sensori magnetici, accelerometri, microtubi e scaffolds. Per la stampa di cantilevers come sensori magnetici, una formulazione specifica di resina UV-impressionabile ad alta risoluzione è stata studiata. Essa è stata ottenuta dalla miscela di monomeri acrilici bifunzionali, un fotoiniziatore ed un dye. In seguito, per conferire proprietà magnetiche al sensore, due differenti metodi sono stati seguiti. Il primo consta di due step e riguarda la deposizione per electroless plating di un sottile film metallico al di sopra dell’oggetto stampato in resina polimerica. Il secondo prevede la stampa diretta di nanocompositi magnetici con particelle di magnetite disperse in matrice polimerica. In entrambi i casi, i sensori sono stati magneticamente attivati ottenendo una risposta in termini di deflessione statica rispetto al campo magnetico applicato. Accelerometri con vibrazione in piano e fuori dal piano sono stati stampati con la resina non magnetica, precedentemente menzionata, e con quella commerciale (DL260), per poi effettuare un paragone fra le dimensioni reali ottenute nei due casi e quelle nominali. Microtubi, invece, sono stati stampati con la resina magnetica precedentemente sfruttata per funzionalizzare magneticamente i cantilevers. Successivamente, essi sono stati caratterizzati magneticamente e testati. Infine, scaffolds sono stati stampati con due diverse formulazioni fotoreticolabili, costituite da opportuni additivi, necessari per la loro ottimizzazione: la prima si basa sull’utilizzo di un prepolimero biocompatibile come il polietilene glicole diacrilato (PEGDA), la seconda su quello di un prepolimero anche biodegradabile, come il polipropilene fumarato (PPF). Con il PEGDA, sono stati stampati scaffolds fino a raggiungere porosità paragonabili al limite di stampa trovato in letteratura (~0.2mm). Riguardo il PPF, due sintesi, partendo da reagenti differenti, sono state portate a termine: acido fumarico e propilene glicole; anidride maleica e propilene glicole. Dopo l’ottimizzazione del fotopolimero, esclusivamente un prototipo di scaffold è stato ottenuto.