q&more
Meine Merkliste
my.chemie.de  
Login  

News

Bewegliche Mikrostrukturen aus dem 3D-Drucker

Ideal für Anwendungen in Biologie und Biomedizin

Grafik: Marc Hippler, KIT

Das richtige Material macht’s: Die Objekte aus dem 3D-Drucker sind auch nach dem Druck noch beweglich und können etwa durch Temperaturänderung stimuliert werden.

28.01.2019: 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.

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-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.

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.

Originalveröffentlichung:
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.

Fakten, Hintergründe, Dossiers

  • 3D Druck
  • Mikrostrukturen
  • Druckverfahren
  • 3D-Drucktechnik

Mehr über KIT

  • News

    Versteckte Ordnung in der Unordnung

    Den Raum in Zellen mit optimalen geometrischen Eigenschaften einzuteilen, ist eine zentrale Herausforderung in vielen Bereichen der Wissenschaft und Technik. Nun haben Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) mit Kollegen aus mehreren Ländern festgestellt, dass bei amorphen, da ... mehr

    Mit Eierschalen Energie speichern

    Bioabfall in Form von Hühnereierschalen erweist sich als sehr effektiv für die Energiespeicherung. Zu diesem Ergebnis kommt ein internationales Team, zu dem auch Wissenschaftler des vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gegründeten Helmholtz-Instituts Ulm (HIU) gehören. Das nachhalt ... mehr

    Maßgeschneiderter Materialmix für dreidimensionale Mikro- und Nanostrukturen

    Dreidimensionale Strukturen im Mikro- und Nanometermaßstab haben enormes Potenzial für zahlreiche Anwendungen. Ein effizientes und präzises Verfahren, solche Strukturen aus verschiedenen Materialien zu drucken, präsentieren Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der C ... mehr

  • q&more Artikel

    Biochemie in der Mikrowelle

    Die Entwicklung neuer Pharmazeutika beruht auf dem zunehmenden Verständnis intrazellulärer Vorgänge. Insbesondere durch die Erforschung von Ligand-Rezeptor-Wechselwirkungen können Wirkstoffe ­besser angepasst werden. Um Medikamente an ihren Wirkungsort ­zu bringen, werden sog. „Carrier“-Mol ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Stefan Bräse

    Stefan Bräse, geb. 1967, studierte Chemie in Göttingen und promovierte dort 1995 an der Universität. Nach Postdoktoraten in Uppsala/S und La Jolla/USA begann er an der RWTH ­Aachen mit seinen eigenständigen Arbeiten (Habilitation in organischer Chemie 2001) und wechselte 2001 als Professor ... mehr

    Dr. Sidonie Vollrath

    Sidonie Vollrath, geb. 1984, studierte Chemie in Karlsruhe und promovierte 2012 am KIT in der Gruppe von Prof. S. Bräse. ­Während des Studiums und der Promotion ­absolvierte sie Forschungsaufenthalte an der University of Wisconsin in Madison bei Prof. H. Blackwell sowie an der New York Univ ... mehr

q&more – die Networking-Plattform für exzellente Qualität in Labor und Prozess

q&more verfolgt den Anspruch, aktuelle Forschung und innovative Lösungen sichtbar zu machen und den Wissensaustausch zu unterstützen. Im Fokus des breiten Themenspektrums stehen höchste Qualitätsansprüche in einem hochinnovativen Branchenumfeld. Als moderne Wissensplattform bietet q&more den Akteuren im Markt einzigartige Networking-Möglichkeiten. International renommierte Autoren repräsentieren den aktuellen Wissenstand. Die Originalbeiträge werden attraktiv in einem anspruchsvollen Umfeld präsentiert und deutsch und englisch publiziert. Die Inhalte zeigen neue Konzepte und unkonventionelle Lösungsansätze auf.

> mehr zu q&more

q&more wird unterstützt von:

 

Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.