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07-02-2019 | Additive Fertigung | Im Fokus | Article

Bewegliche Mikrostrukturen aus dem 3D-Drucker

Author:
Dieter Beste

Mittels Additive-Manufacturing lassen sich inzwischen beliebige Strukturen im Mikrometermaßstab herstellen. Für viele Anwendungen wäre es jedoch vorteilhaft, wenn die Objekte nicht starr, sondern schaltbar wären. Forscher fanden eine Lösung.


Mit Hilfe etablierter Additive-Manufacturing (AM) Verfahren wie der UV-Stereolithografie, dem 3D-Druck oder dem Lasersintern ist man heute in der Lage, mehrere Zentimeter große Bauteile zu fertigen und dabei eine Auflösung im Mikrometerbereich zu realisieren. Die Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) ist ein junges ergänzendes laserbasiertes AM Verfahren, das eine volle dreidimensionale Strukturierung beliebig komplexer Modelle mit einer Auflösung im Submikrometerbereich ermöglicht. Die Springer-Autoren Ayman El-Tamer, Ulf Hinze und Boris N. Chichkov beschreiben das Verfahren in "Additive Manufacturing Quantifiziert" ab Seite 117. Der Strukturierungsprozess basiert dabei auf dem Prinzip des direkten Laserschreibens, welches die nichtlineare Zwei-Photonen-Absorption im Fokus eines stark fokussierten Femtosekundenlaserstrahls nutzt. "Dabei wird eine auf das Fokusvolumen begrenzte Polymerisationsreaktion induziert, die ein transparentes fotosensitives Material verfestigt. Durch eine computergesteuerte dreidimensionale (3D) Führung des Fokus im Material kann nahezu jede beliebige Struktur direkt im Volumen des Materials erstellt werden; dabei muss nicht schichtweise aufgebaut werden, wie es bei vielen anderen Verfahren der Fall ist. Mit diesem Prozess wurden Strukturauflösungen besser als 100 nm demonstriert."

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Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, Mikrostrukturen drucken, die durch den Einfluss von Temperatur oder Licht ihre Form verändern, wie sie in "Nature Communications" berichten. Denn "für viele Anwendungen vor allem in der Biologie und Biomedizin wäre es 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", sagt Martin Bastmeyer, Professor am Zoologischen Institut und dem Institut für Funktionelle Grenzflächen des KIT. Gemeinsam mit der Arbeitsgruppe von Martin Wegener, Professor am Institut für Angewandte Physik und dem Institut für Nanotechnologie des KIT sowie Chemikern aus Karlsruhe und Heidelberg gelang es, 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.

"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.

Fokussiertes Licht als Steuersignal

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.

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