Im multidisziplinären Forschungsfeld der Mikrofluidik werden Verfahren und Anwendungen zur präzisen Steuerung und Manipulation von sehr geringen Flüssigkeitsmengen entwickelt. Mikrofluidische Elemente werden z. B. in Lab-on-a-Chip-Anwendungen für chemische, biologische oder physikalische Untersuchungen benötigt. Mikrofluidische Kanäle mit aktiven und passiven Komponenten wie Filtern, Ventilen oder Mischern werden kombiniert, um auf kleinstem Raum das Verhalten von Flüssigkeiten effizient zu steuern. Der Nachteil herkömmlicher Mikrofabrikationsverfahren zur Herstellung mikrofluidischer Chips ist, dass diese lediglich die Umsetzung planarer Strukturen ermöglichen. Nicht ausgeschöpft wird dabei das Potenzial dreidimensionaler Architekturen, z. B. für die Mehrphasentrennung von Tröpfchen, das Wechselmischen oder das Nassspinnen von Fasern. Mit einem Nanoscribe Photonic Professional System gelang einem Team am DWI Leibniz-Institut für Interaktive Materialien und der RWTH Aachen die Herstellung und Integration von 3D-Mikrostrukturen innerhalb von 2D-mikrofluidischen Kanälen. Dazu setzten die Wissenschaftler auf die Zwei-Photonen-Polymerisation zum Mastering der mikrofluidischen Kanäle und zum In-Chip-Druck innerhalb des versiegelten Kanalsystems. Diese Kombination zweier Fertigungsverfahren ebnet den Weg für eine neue Mikrofabrikationsmethode in der Mikrofluidik.
Mit 3D-Mikrofabrikation zu Fortschritten in der Mikrofluidik
Dank der Zwei-Photonen-Polymerisation können dreidimensionale Strukturen additiv gefertigt und damit auch die Möglichkeiten bisheriger Mikrofabrikationsverfahren in der Mikrofluidik erweitert werden. Sie sind bislang noch auf die für 2D-Mikrofluidik-Plattformen bekannten planaren Umgebungen beschränkt. Durch additive Fertigungsverfahren werden freistehende 3D-Mikrostrukturen möglich. In Kombination mit den hochpräzisen Positioniersystemen in den 3D-Druckern von Nanoscribe gelingt außerdem die präzise Integration von Freiformelementen in einen offenen oder geschlossenen Mikrokanal. Der entscheidende Vorteil von 2PP liegt im 3D-Druck nahezu beliebig geformter 3D-Komponenten, wie z. B. Zellgerüste, Filter und Mischer, in vorgefertigte Mikrokanäle, sodass die Komplexität und Möglichkeiten mikrofluidischer Anwendungen erweitert werden.
Zwei-Photonen-Polymerisation für das Mastering von Mikrokanälen
2PP eignet sich auch zur Herstellung von 2D- oder 2,5D-Polymermastern von Mikrokanalsystemen. Die der Mikrofabrikationstechnologie von Nanoscribe inhärente Designfreiheit macht es möglich, komplexe und integrierte 2D-Kanalsysteme zu miniaturisieren und filigrane Strukturen mit lateralen Strukturgrößen von nur wenigen Mikrometern oder sogar im Submikrometerbereich zu fertigen. Möglich wird damit auch, einen Polymer-Master mit Strukturen unterschiedlicher Skalen in einem einzigen System herzustellen und diesen dann anschließend, z. B. durch Softlithografie, zu replizieren.
Mastering und In-Chip-Druck mikrofluidischer Elemente
Um einen Nassspinn-Prozess innerhalb eines mikrofluidischen Chips herzustellen und zu miniaturisieren, kombinieren die Wissenschaftler 2PP-basiertes Mastering und die darauffolgende Replikation durch Softlithografie mit dem ebenfalls 2PP-basierten In-Chip-3D-Druck.
