Neues Verfahren

Selektiv löschbare 3-D-Tinten

Im 3-D-Druck über direktes Laserschreiben lassen sich mikrometergroße Strukturen für viele Anwendungsbereiche fertigen z.B. auch für die Biomedizin. Wissenschaftler des KIT entwickeln ein Verfahren zum gezielten Abbauen lasergeschriebener Mikrostrukturen.

Dreidimensionale Mikrostrukturen aus verschiedenen spaltbaren Fotolacken

Dreidimensionale Mikrostrukturen aus verschiedenen spaltbaren Fotolacken. Die Rasterelektronenmikroskopaufnahmen zeigen den selektiven Abbau der Strukturen. (Skalierung 20 µm) | KIT/Nature Communications

Forscherinnen und Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben nun 3-D-Tinten entwickelt, die sich selektiv löschen lassen. Dies ermöglicht, hoch präzise Strukturen auf der Mikro- und Nanoskala gezielt abzubauen und wieder aufzubauen. Der 3-D-Druck gewinnt stetig an Bedeutung, da er das effiziente Fertigen auch komplexer Geometrien ermöglicht. Als besonders vielversprechendes Verfahren gilt das direkte Laserschreiben: Ein computergesteuerter fokussierter Laserstrahl fungiert als Stift und erzeugt die gewünschte Struktur in einem Fotolack. So lassen sich dreidimensionale Strukturen mit Details im Submikrometerbereich herstellen. „Die hohe Auflösung ist besonders attraktiv für Anwendungen, die hoch präzise filigrane Strukturen erfordern, wie in der Biomedizin, in der Mikrofluidik, in der Mikroelektronik oder für optische Metamaterialien“, erklären Professor Christopher Barner-Kowollik, Leiter der Arbeitsgruppe Makromolekulare Architekturen am Institut für Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP) des KIT und der Soft Matter Materials Group an der Queensland University of Technology (QUT) in Brisbane, sowie Dr. Eva Blasco vom ITCP des KIT.

Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Bereits vor mehr als einem Jahr war es Forscherinnen und Forschern des KIT gelungen, die Möglichkeiten des direkten Laserschreibens entscheidend zu erweitern: Die Arbeitsgruppen von Professor Martin Wegener am Institut für Angewandte Physik (APH) und am Institut für Nanotechnologie (INT) des KIT und von Professor Christopher Barner-Kowollik entwickelten eine löschbare Tinte für den 3-D-Druck. Dank einer reversiblen Bindung lassen sich die Bausteine der Tinte wieder voneinander trennen.

3D-Fertigungsverfahren für künftige Anwendungen

Der 3D-Biodruck (3D-Bioprinting) gehört zu den vielversprechendsten biologischen Verfahren, die zur Herstellung von künstlichen humanen 3D-Organ- und Gewebemodellen verwendet werden. Mit diesem ganz neuen 3D-Druckverfahren wird es in Zukunft möglich sein, gezielter, systematischer und kostengünstiger reproduzierbare künstliche Organmodelle aus menschlichen Stammzellen herzustellen.

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Nun haben die Wissenschaftler aus Karlsruhe und Brisbane ihre Neuerung wesentlich verfeinert. Wie sie in der Zeitschrift Nature Communications berichten, haben sie mehrere Tinten entwickelt, sozusagen in verschiedenen Farben, die sich unabhängig voneinander löschen lassen. Dies erlaubt es, die lasergeschriebenen Mikrostrukturen selektiv und sequenziell abzubauen und wieder aufzubauen. So lassen sich beispielsweise bei besonders komplexen Konstruktionen temporäre Stützen errichten und im weiteren Konstruktionsprozess wieder entfernen. Bei dreidimensionalen Gerüsten für das Zellwachstum könnte es möglich sein, Teile zu entfernen und hinzuzufügen, um zu beobachten, wie die Zellen auf solche Veränderungen reagieren. Außerdem gestatten die gezielt löschbaren 3-D-Tinten den Austausch beschädigter oder verschlissener Teile in komplexen Konstruktionen.

Fotolacke basieren auf Silanverbindungen

Bei der Herstellung der spaltbaren Fotolacke ließen sich die Forscher von abbaubaren Biomaterialien inspirieren: Die Fotolacke basieren auf Silanverbindungen, die sich leicht trennen lassen. Bei Silanen handelt es sich um Silizium-Wasserstoff-Verbindungen. Die Wissenschaftler bereiteten sie durch gezielten Atomaustausch für die Fotolacke auf. So lassen sich Mikrostrukturen gezielt unter milden Bedingungen abbauen, ohne dabei Strukturen mit anderen Materialeigenschaften zu beschädigen – ein wesentlicher Vorteil gegenüber früheren löschbaren 3-D-Tinten. Die neuen Fotolacke enthalten außerdem das Monomer Pentaerythritoltriacrylat, das den Schreibprozess wesentlich verbessert, ohne die Löschbarkeit zu beeinträchtigen. (KIT, red)

 

Literatur:

David Gräfe, Andreas Wickberg, Markus Michael Zieger, Martin Wegener, Eva Blasco & Christopher Barner-Kowollik: Adding chemically selective subtraction to multi-material 3D additive manufacturing. Nature Communications. 2018. DOI: 10.1038/s41467-018-05234-0.