Bewegliche Mikrostrukturen im 3D-Druck herstellen

Laserbasierter 3D-Druck

Bewegliche Mikrostrukturen

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Die Objekte aus dem 3D-Drucker sind nach dem Druck beweglich und können etwa durch Temperaturänderung stimuliert werden (Bild: Marc Hippler, KIT)
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Mit laserbasiertem 3D-Druck lassen sich heute schon beliebige Strukturen im Mikrometermaßstab herstellen. Doch bisher sind diese starr. Wissenschaftler drucken nun Mikrostrukturen, die durch den Einfluss von Temperatur oder Licht ihre Form verändern.

Der 3D-Druck ist als Technik mit zahllosen Anwendungsfeldern etabliert. Als besonders vielversprechendes Verfahren gilt das direkte Laserschreiben: Ein computergesteuerter fokussierter Laserstrahl fungiert als Stift und erzeugt die gewünschte Struktur in der Druckertinte, hier ein Fotolack. Auf diese Weise können beliebige dreidimensionale Formen bis hinunter zu einer Größe von wenigen Mikrometern erzeugt werden.

Druckverfahren für bewegliche Strukturen

„Für viele Anwendungen vor allem in der Biologie und Biomedizin wäre es allerdings wünschenswert, nicht nur starre Strukturen zu erzeugen, sondern aktive Systeme, die nach dem Druckprozess noch beweglich sind, also zum Beispiel durch ein externes Signal ihre Form verändern können“, betont Prof.Martin Bastmeyer vom Zoologischen Institut und dem Institut für Funktionelle Grenzflächen des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Gemeinsam mit der Arbeitsgruppe von Prof. Martin Wegener vom Institut für Angewandte Physik und dem Institut für Nanotechnologie des KIT sowie Chemikern aus Karlsruhe und Heidelberg wurde nun ein Druckverfahren für solche beweglichen Strukturen entwickelt. Für die Druckertinte verwenden sie besondere Materialien: Stimuli-responsive Polymere, deren Eigenschaften durch externe Signale modifiziert werden können. So verändert die chemische Verbindung poly(N-Isopropylacrylamide) ihre Form erheblich, wenn die Temperatur nur leicht über Raumtemperatur angehoben wird. Die so hergestellten 3D-Strukturen sind in wässriger Umgebung funktionsfähig und damit ideal für Anwendungen in Biologie und Biomedizin.

Unterschiedliche, genau definierte Reaktionen

„Wir haben die Methode soweit entwickelt, dass wir auch komplexe Strukturen herstellen können, in denen die beweglichen Teile durch die äußere Stimulation nicht alle gleich reagieren, sondern unterschiedliche, aber genau definierte Reaktionen zeigen“, erläutert Marc Hippler, Erstautor der Studie. Möglich wird dies durch die Graustufenlithographie: Bei diesem Verfahren wird der Fotolack nicht an allen Stellen gleichstark, sondern abgestuft belichtet. Damit können die gewünschten Materialeigenschaften – und somit die Stärke der Bewegung bei einer bestimmten Temperaturänderung – sehr genau eingestellt werden. Mit Computersimulationen lassen sich die resultierenden Bewegungen präzise vorhersagen und erlauben daher ein rationales Design komplexer 3D-Strukturen.

Einsatz in mikrofluidischen Systemen möglich

Die Arbeitsgruppen um Martin Bastmeyer und Martin Wegener sind noch einen Schritt weitergegangen: Anstelle von Temperatur wird fokussiertes Licht als Steuersignal verwendet. Dies erlaubt es erstmals in einer komplexen, dreidimensionalen Anordnung einzelne Mikrostrukturen gezielt anzusteuern, was beispielsweise in mikrofluidischen Systemen zum Einsatz kommen könnte. Da der verwendete Fotolack bei Raumtemperatur geschaltet werden kann, ergeben sich zusätzlich Anwendungen in der biologischen Grundlagenforschung, wie zum Beispiel die gezielte mechanische Beeinflussung einzelner Zellen.

www.nature.com/articles/s41467–018–08175-w

www.materials.kit.edu/index.php

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