29.01.2019

Mikrostrukturen mit Licht formen

Höhere Flexibilität für komplexe Strukturen aus dem 3D-Drucker.

Mit laser­basiertem 3D-Druck lassen sich heute schon beliebige Strukturen im Mikrometer­maßstab herstellen. Für viele Anwen­dungen, insbe­sondere in der Biomedizin, wäre es jedoch vorteil­haft, wenn die gedruckten Objekte nicht starr, sondern schaltbar wären. Wissen­schaftler des Karlsruher Instituts für Tech­nologie KIT konnten nun Mikro­strukturen drucken, die durch den Einfluss von Tem­peratur oder Licht ihre Form verändern.

Abb.: Die Objekte aus dem 3D-Drucker sind nach dem Druck noch be­weglich und...
Abb.: Die Objekte aus dem 3D-Drucker sind nach dem Druck noch be­weglich und können durch Temperatur­änderung und Licht­pulse sti­muliert werden. (Bild: M. Hippler, KIT)

Das direkte Laser­schreiben ist eine viel­fältig anwend­bare 3D-Druck-Variante. Dabei fungiert ein computer­gesteuerter fokus­sierter Laser­strahl 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. „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 Martin Bastmeyer vom Zoo­logischen Institut und dem Institut für Funk­tionelle Grenz­flächen des KIT.

Gemeinsam mit der Arbeits­gruppe von Martin Wegener vom Institut für Angewandte Physik und dem Institut für Nano­technologie 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.

„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. 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.

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.

KIT / JOL

Weitere Infos

Anbieter des Monats

Dr. Eberl MBE-Komponenten GmbH

Dr. Eberl MBE-Komponenten GmbH

Das Unternehmen wurde 1989 von Dr. Karl Eberl als Spin-off des Walter-Schottky-Instituts der Technischen Universität München gegründet und hat seinen Sitz in Weil der Stadt bei Stuttgart.

Veranstaltung

Spektral vernetzt zur Quantum Photonics in Erfurt

Spektral vernetzt zur Quantum Photonics in Erfurt

Die neue Kongressmesse für Quanten- und Photonik-Technologien bringt vom 13. bis 14. Mai 2025 internationale Spitzenforschung, Industrieakteure und Entscheidungsträger in der Messe Erfurt zusammen

Meist gelesen

Themen