Mikrostrukturen mit Licht formen

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.

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

• Originalveröffentlichung
  M. Hippler et al.: Controlling the shape of 3D microstructures by temperature and light, Nat. Commun. 10, 232 (2019); DOI: 10.1038/s41467-018-08175-w
• Institut für Funktionelle Grenzflächen, Karlsruhe Institut für Technologie KIT, Karlsruhe
• Institut für Nanotechnologie, Karlsruhe Institut für Technologie KIT, Karlsruhe