Wissenschaftler der Pennsylvania State University, der University of Birmingham, der University of Cambridge und der University of Toronto fertigten mikroskopisch kleine Ringe, die Verhaltensweisen und Reaktionen von Mikroorganismen wie Bakterien und Spermien nachahmen. Das Team nutzte Möglichkeiten des 3D-Struktur-Designs, die 3D-Mikrofabrikation von Nanoscribe und einzigartige nanoskalige Eigenschaften mehrerer Materialien, um spezifische Reaktionen in die Ringe zu programmieren. Wie in Nature Communications veröffentlicht, druckte das Forschungsteam 3D-Mikro-Ringe mit Durchmessern von 3 bis 7 Mikrometern mit Strukturdetails von weniger als 200 nm. Die gedruckten Objekte wurden anschließend mit nanometerdicken Schichten aus Nickel und Platin beschichtet, um eine spezifische Funktionalisierung zu erreichen, beispielsweise eine Reaktionsfähigkeit auf Magnetfelder oder eine bestimmte katalytische Aktivität. Im Ergebnis entstanden donutförmige, künstliche Mikroschwimmer, die sich sowohl autark bewegen oder sich autonom wie ihr biologisches Gegenstück verhalten können.
Der Ansatz der additiven Fertigung ermöglichte es, zwei verschiedene Designs für die Mikroringe herzustellen, indem der Druckprozess mit der anschließenden Funktionalisierung kombiniert wurde. Entsprechend ihrer Form und Oberflächenfunktionalisierung modifizierten die Forscher das Schwimm- und Transportverhalten und untersuchten es genauer. Aus diesen Erkenntnissen können die Mikroschwimmer für vielfältige Anwendungen weiterentwickelt werden, z.B. zur zielgerichteten Abgabe von Medikamenten, zum Zelltransport oder zur Flüssigkeitsmischung in Lab-on-Chip-Systemen.
Autarke Mikroschwimmer
Eine der größten Herausforderungen war die Frage, wie man künstliche Mikroschwimmer mit Energie versorgt und gleichzeitig autonome Reaktionen auf verschiedene Umweltreize wie Magnetfelder oder chemische Signale beibehält. Die Mikroringe sind zu klein, um sie mit herkömmlichen Mitteln, wie mit einer externen Batterie, zu betreiben. Daher entwickelten die Forscher chemisch angetriebene Mikroringe, die Kraftstoff (gelöstes Wasserstoffperoxid) in ihrer Umgebung in mechanische Schwimmbewegungen umwandeln. Das wurde erreicht, indem die Oberfläche der Ringe mit dünnen Schichten aus magnetischem Nickel und anschließend chemisch reaktivem Platin funktionalisiert wurden. Beim Eintauchen in Wasser sind die Mikroschwimmer inaktiv. Wird jedoch Wasserstoffperoxid zugegeben, "schalten" sich die Mikroringe ein. Das Platin wandelt die Energie im Wasserstoffperoxid-Kraftstoff in kontrollierte Schwimmbewegungen um.
