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. Wissenschaftlerinnen und
Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) konnten
nun Mikrostrukturen drucken, die durch den Einfluss von Temperatur oder
Licht ihre Form verändern. Die Ergebnisse veröffentlichten sie in der
Fachzeitschrift Nature Communications. (DOI: 10.1038/s41467-018-08175-w)

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. „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
Professor Martin Bastmeyer vom Zoologischen Institut und dem Institut
für Funktionelle Grenzflächen des KIT. Gemeinsam mit der Arbeitsgruppe
von Professor 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-Isopropysycraymide) 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.

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.

Die interdisziplinäre
Arbeit entstand im Rahmen des Exzellenzclusters „3D Matter Made to
Order“, einem gemeinsamen Forschungsverbund des Karlsruher Instituts für
Technologie und der Universität Heidelberg. Beteiligt waren auch
Promovierende der Karlsruhe School of Optics & Photonics (KSOP) des
KIT.

Original-Veröffentlichung (Open Access):

Marc Hippler, Eva
Blasco, Jingyuan Qu, Motomu Tanaka, Christopher Barner-Kowollik, Martin
Wegener, and Martin Bastmeyer: Controlling the shape of 3D
microstructures by temperature and light. Nature Communications. 2019.
DOI: 10.1038/s41467-018-08175-w