3D-Druck: Bewegliche Mikrostrukturen für die Biomedizin

Bewegliche Mikrostrukturen aus dem Drucker

Wissenschaftler haben eine Methode für dynamischen 3D-Druck entwickelt. Damit können sie Mikrostrukturen über den Einfluss von Licht und Temperatur bewegen. Die Technologie könnte beispielsweise für die Biomedizin bedeutend werden.

Ein besonders vielversprechendes Verfahren des 3D-Drucks ist das direkte Laserschreiben. Der computergesteuerte Laserstrahl fungiert als Stift und erzeugt die Struktur in der Druckertinte. Damit kann der Drucker beliebige dreidimensionale Formen bis hinunter zu einer Größe von wenigen Mikrometern erzeugen.

„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“, sagt Professor Martin Bastmeyer vom Zoologischen Institut und dem Institut für Funktionelle Grenzflächen des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT).

Gemeinsam mit anderen Forschern hat Bastmeyer ein Druckverfahren für bewegliche Strukturen entwickelt. Für die Druckertinte verwendet das Teams besondere Materialien: Stimuli-responsive Polymere. Deren Eigenschaften können die Wissenschaftler durch externe Signale modifizieren. 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.

Einzelne Zellen mechanisch beeinflussen  

Mit der Methode können die Forscher auch komplexe Strukturen herstellen. Dann reagieren die beweglichen Teile durch die äußere Stimulation nicht alle gleich, sondern unterschiedlich – sie zeigen aber genau definierte Reaktionen. Möglich wird das durch die Graustufenlithographie: Bei diesem Verfahren wird der Fotolack nicht an allen Stellen gleichstark, sondern abgestuft belichtet. Damit können die Wissenschaftler gewünschte Materialeigenschaften – und somit die Stärke der Bewegung bei einer bestimmten Temperaturänderung – sehr genau einstellen. Mit Computersimulationen können sie die resultierenden Bewegungen präzise vorhersagen komplexe 3D-Strukturen entsprechend designen.

Die Arbeitsgruppen sind aber noch einen Schritt weitergegangen: Anstelle von Temperatur verwenden sie fokussiertes Licht als Steuersignal. Die Methode 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 – beispielsweise die gezielte mechanische Beeinflussung einzelner Zellen.

 Bild: 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. (Grafik: Marc Hippler, KIT)