Laser-Lithographie für 3D-Druck im Nanobereich

Sehr kleine, hochpräzise Bauteile und Strukturen fertigen, mit einer Geschwindigkeit, die bis zu 100-mal schneller ist als bei vergleichbaren Technologien: Dieses Kunststück gelingt dem Wiener Start-up Upnano GmbH, das einen hochauflösenden 3D-Drucker für polymere Mikrobauteile entwickelt hat und weltweit vertreibt.

Nanoone nennt sich das Gerät, das mittels Multiphotonenlithographie sowohl ultrafeine Bauteile mit Strukturdetails im Bereich von 170 nm herstellt als auchMikroteile im Zentimeterbereich. Dabei härtet ein Ultrakurzpuls-Laser Photopolymere direkt im Materialvolumen aus. Allerdings nur im Fokuspunkt – überall sonst bleibt das Material flüssig. Auf diese Weise lassen sich feinste Strukturdetails unterschiedlicher Formen drucken. Erste Beispiele zeigen, was dank dieser Technologie in Zukunft unter anderem in der Medizin- und Filtertechnik sowie in der Mikrooptik möglich sein wird.

Bioprinting war für den Drucker der erste Einsatzfall

Der Ursprung des hochauflösenden 3D-Drucks von Upnano liegt im so genannten Bioprinting. Dabei geht es darum, 3D-Strukturen zu drucken, in denen lebende Zellen eingelagert sind. Benötigt werden solche nur wenige Millimeter großen Biosysteme in der Forschung, zum Beispiel beim Testen und Evaluieren von Arzneimitteln. Der Vorteil dieser Methode liegt darin, dass sich Zellen im 3D-Kontext natürlicher verhalten als in einem zweidimensionalen Zellrasen.

Erhebliches Potenzial sieht Upnano-Gründer und CEO Dr. Bernhard Küenburg auch für biofunktionellen Gewebeersatz aus dem 3D-Drucker. Die Idee dabei: Stammzellen werden gezielt in sensiblen Bereichen wie der Netzhaut eingebracht, um einen Gewebedefekt zu schließen oder den Heilungsprozess zu beschleunigen. „Solche oder ähnliche Forschungsprojekte werden wir in den kommenden Jahren vermehrt sehen, speziell, wenn es um kleine Zellagglomerate geht, die besonders präzise sein müssen.“

Intelligenter Wundverband mit Elektronik aus dem 3D-Druck

Keine Zukunftsmusik, sondern kurz vor der klinischen Prüfung ist ein intelligenter Wundverband, der anzeigt, wann er gewechselt werden muss. Ein Auftraggeber aus Schweden hat dafür mittels der von Upnano entwickelten Technologie Sensoren mit gedruckter Elektronik gebaut. Diese überwachen unter anderem die Anzeichen für Infektionen wie Temperatur, Blutdruck oder Feuchtigkeit in der Wunde.

Sensoren melden den Zeitpunkt für einen Verbandwechsel

Das System besteht aus einem elektrochromen Display in Kombination mit einem Sensor, der Spannung erzeugt, wenn er Wundflüssigkeit ausgesetzt ist. Die Elektroden bauen zusammen mit der Wundflüssigkeit genügend Spannung auf, sodass das Display die Farbe ändert und anzeigt, dass es Zeit für einen Verbandwechsel ist.

Grundsätzlich können mit dem Nanoone nur Polymerkörper gedruckt werden. Doch inzwischen lassen sich auch Mikrostrukturen aus Glas in jede beliebige Form bringen. Die Glassomer GmbH in Freiburg hat dafür ein Nano-Glaspulver mit Partikeln von etwa 40 nm entwickelt. Werden diese unter das Polymer gemischt, entsteht eine Art Glasgelee, das mittels 3D-Drucker verarbeitet werden kann. Dann wird das Polymer bei hoher Temperatur verbrannt und damit entfernt.

Die Glaskügelchen werden gesintert und verschmelzen zu einem Teil aus hochwertigem, reinen Quarzglas. Den Vorteil dieses zweistufigen Prozesses erklärt Küenburg so: „Bei diesem thermischen Vorgang schrumpfen die gedruckten Formen dreidimensional, und es kommt nicht zu Spannungen im Produkt.“ Zudem sei Quarzglas weder chemisch angreifbar noch toxisch. Damit sind die präzisen Glasstrukturen sehr spannend für Anwendungen von Endoskopie bis Mikrofluidik. „Der Fantasie sind keine Grenzen gesetzt. Alles, was Sie zeichnen können, kann auch gedruckt werden.“

Definierte Poren im Filter mit Größen von 1 μm x 1 μm

Ein weiteres Thema, mit dem Upnano oft konfrontiert ist, ist die Mikrofluidik. Denn auch Raumkörper mit feinsten Kanälen stellt der 3D-Drucker Nanoone her. Anders als bei Mikrofiltern aus Zellstoffen oder Fasermaterialien, bei denen die Porengröße immer einer großen Schwankungsbreite unterliegt, können mit dem Nanoone Mikrofilter mit exakt definierten Porengrößen bis zu 1µm x 1 µm in wenigen Stunden gedruckt werden. „Die Filterform ist beliebig definierbar“, sagt Küenburg. „Um sehr filigrane Filterstreben mechanisch stabil zu halten, drucken wir zusätzlich Stützstrukturen mit.“ Solche Mikrobauteile seien auf konventionelle Weise nicht herstellbar.

Als Fertigungspartner von Upnano war von Anfang an die Wild-Gruppe aus Völkermarkt in Österreich mit im Boot. Der Technologiepartner ist mit der Serienproduktion des Nanoone beauftragt und hat das System mit weiteren Netzwerkpartnern so optimiert, dass es als Desktopgerät auch in kleinen Laboren Platz findet. „Wir sehen uns als Industrialisierungsspezialist, der professionelle Serienfertigung unabhängig von Stückzahlen gewährleistet“, betont Wolfgang Warum, CTO der Wild Gruppe. „Bei Bedarf sind wir in der Lage, die Fertigung rasch auf große Stückzahlen auszuweiten.“ (op)

www.upnano.at

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