Multi-foci two-photon polymerization using spatial light modulator

Two-photon polymerization (2PP) is an additive manufacturing technique, which allows the fabrication of complex 3D micro or nanostructure with a resolution that goes beyond the diffraction limit. It is based on the irradiation of a volume inside a UV sensitive photoresist through an infrared pulsed femtosecond laser, that will trigger polymerization only in the focus point. One of the main drawbacks of the technique it is the low throughput. Various methods have been implemented to avoid this problem; one of them is the parallel writing by multiple beams generated from a single laser beam through a spatial light modulator (SLM). This thesis is focused on the use of a SLM to parallelize the 2PP fabrication. The first part regards the development of an operating setup employing a SLM, and the study about the finding of a good compromise between the number of foci and the writing speed, if the power is kept fixed. In this conditions, the idea that a higher number of foci is always better, is not valid. On the contrary, it is better to have high fabrication speed and reduced number of foci. During a test with various number of foci, ranging from four to sixteen, it was necessary to reduce the fabrication speed as the number of foci increased, in order to fabricate. I have observed that the best fabrications, in terms of time, were obtained with six foci. The second part is about the fabrication of 3D microstructures for stem cell culture, structures called scaffolds, using multi-foci patterns generated by a SLM to reduce their fabrication time; this is also the main goal of this project. Two different parallel fabrication approaches have been investigated: the use of four parallel foci to fabricate four independent scaffolds and the mix of two and six foci which contribute to fabricate the same scaffold. After an initial stage of studying the proper fabrication parameters, scaffold have been fabricated at 3 mm/s for both methods. In the first case a scaffold has been fabricated in 1.88 seconds, while in the other case the fabrication time was 1.56 seconds, that are respectively 75% and 80% lower than the current state of the art that is 7.56 seconds per scaffold.

La polimerizzazione a due fotoni (2PP) è una tecnica di produzione additiva, che consente la fabbricazione di micro o nanostrutture 3D complesse con una risoluzione che va oltre il limite di diffrazione. I vantaggi di questa tecnica sono la versatilità, la semplicità, il basso costo e l’alta risoluzione. Si basa sull’irraggiamento di un volume all’interno di una fotoresist sensibile ai raggi UV attraverso un laser a femtosecondi a impulsi infrarossi, che innescherà la polimerizzazione solo nel punto di messa a fuoco, senza assorbimento della luce nel resto del materiale. Uno dei principali inconvenienti della tecnica è il basso regime di produzione. Vari metodi sono stati implementati per evitare questo problema; uno di questi è la scrittura parallela di più raggi generati da un singolo raggio laser attraverso un modulatore di luce spaziale (spatial light modulator, SLM). Questa tecnica consente l’abbassamento del tempo di fabbricazione e successivamente l’aumento del volume di produzione, i quali potrebbero portare all’apertura della polimerizzazione a due fotoni alla produzione su larga scala nell’industria. Questo lavoro di tesi si concentra sull’uso di un SLM per parallelizzare la fabbri- cazione 2PP. La prima parte riguarda lo sviluppo di un setup operativo che impiega un SLM e lo studio del ritrovamento di un buon compromesso tra il numero di fuochi e la velocità di scrittura, nel caso la potenza venga mantenuta fissa. In queste condizioni, l’idea che un numero maggiore di fuochi sia sempre migliore, non è valida. Al contrario, è meglio avere un’alta velocità di fabbricazione e un ridotto numero di fuochi. Durante una prova con un numero variabile di fuochi, che variava da quattro a sedici, è stato necessario ridurre la velocità di fabbricazione man mano che il numero di fuochi aumentava, per poter fabbricare. Ho osservato che le migliori lavorazioni, in termini di tempo, sono state ottenute con sei fuochi. La seconda parte riguarda la fabbricazione di microstrutture 3D, intese per scopi biologici chiamati scaffold, utilizzando multeplici fuochi generati da un SLM per ridurre i tempi di fabbricazione; questo è anche l’obiettivo principale di questo progetto. Vengono studiati due diversi approcci di fabbricazione parallela: l’uso di quattro fuochi paralleli per fabbricare quattro scaffold indipendenti e il mix di due e sei fuochi che contribuiscono a fabbricare lo stesso scaffold. Dopo uno stadio iniziale di studio dei parametri di fabbricazione appropriati, lo scaffold è stato fabbricato a 3 mm/s per entrambi i metodi. Nel primo caso, uno scaffold è stato fabbricato in 1,88 secondi, mentre nell’altro caso il tempo di fabbricazione è di 1,56 secondi, che sono rispettivamente inferiori del 75% e 80% allo stato dell’arte attuale che è di 7,56 secondi per scaffold.