Drahtlose Miniaturteile von weniger als einem halben Millimeter Größe, die sich bewegen und definierte Aufgaben ausführen können, sind vielversprechende Werkzeuge für die Medizin, die Mikrofluidik und für die Robotik. Magnetisch angetriebene Mikrobauteile sind aufgrund ihrer schnellen Reaktion, ihrer Genauigkeit, ihrer Funktionalität und ihrer kompakten Größe von großem Interesse. Es ist jedoch eine große Herausforderung verschiedene Materialien mit je nach Raumrichtung unterschiedlichen Magnetisierungsprofilen in ein Mikrobauteil mit einer komplexen 3D-Geometrie zu integrieren. Deshalb haben Wissenschaftler die neuartige Mikrofabrikationsstrategie ‚Formgebungsintegriertes Laserdirektschreiben‘ entwickelt. Der Prozess basiert auf der Zwei-Photonen-Polymerisation von Nanoscribe und insbesondere auf Positivtonlacke, aus denen negative Abformungsstrukturen entstehen.
Neues 2PP-basiertes Mikrofabrikationskonzept ermöglicht drahtlose Mikrorotoren
Es klingt vielleicht wie Science-Fiktion, aber drahtlose Miniaturroboter versprechen, die Zukunft der Manipulation im Mikrometerbereich zu erobern – in der Medizin, der Mikrofluidik und vielen anderen Einsatzbereichen. Die effiziente und reaktionsschnelle Manipulation auf der Mikroskala umfasst die Steuerung von Mikroobjekten, einschließlich Zellen, Gewebe, Partikel, Mikroorganismen, Flüssigkeiten in sehr kleinen Mengen und mehr. Potenziell könnten die Fähigkeiten drahtloser beweglicher Mikroteile beispielsweise bei der Mikromanipulation von Zellen, in der Mikrochirurgie, bei Biopsie-Anwendungen oder bei der Erforschung und Verabreichung von Medikamenten eingesetzt werden.
Es ist schon echte Kunst, die Form und Bewegung winziger funktionaler Mikroteile so zu konfigurieren, dass sie definierte Aufgaben erfüllen. Magnetisch betriebene und gesteuerte Mikroteile haben wesentliche Vorteile, da sie schnell auf Stimulationen reagieren, Aufgaben auf der Mikroskala präzise ausführen und so klein sein können. Aufgrund der komplexen Bewegung und des Designs der Mikroteile sind neue und aufwendigere Strategien in der Mikrofabrikation erforderlich. Die hierfür notwendigen neuen Prozesse müssen heterogene Materialien mit unterschiedlichen Magnetisierungsprofilen in ein Design integrieren. Ein Team aus Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme, der ETH Zürich, die Vanderbilt University und der Koç University erforscht und präsentiert eine neuartige Strategie zur Herstellung magnetisch angetriebener Mikroteile. Die Mikroteile bewegen sich kontrolliert und ihre Bewegung in allen drei Raumdimensionen ist programmierbar. Das Forschungsprojekt wird in einer Veröffentlichung in Nature Communications vorgestellt.
Mehrstufiges Abformen mit Positivtonlacken
Ausgangspunkt der neuen Mikrofabrikationsstrategie ist die Verwendung von einem Positivtonlack zur Herstellung von Negativformen für die Abformung der Mikrobauteile. Zunächst wird der Positivtonlack durch Spin-Coating und Pre-Bake als fester Film auf einem Substrat aufgetragen. Die Zwei-Photonen-Polymerisationstechnologie (2PP) von Nanoscribe wird zur Belichtung des Positivtonlacks einsetzt, wobei sich ihre Eignung zur maskenlosen Lithographie zeigt. Ein Post-Bake nach der Belichtung vervollständigt die Fotoreaktion. Danach werden mit der Entwicklung die belichteten Bereiche entfernt. Übrig bleiben Hohlräume, die eine Negativform bilden, welche mit einem Elastomer-Komposit und vormagnetisierten Mikropartikeln mit magnetischen Mikropartikeln in hoher Konzentration gefüllt werden. Deren individuelle Magnetisierungsrichtung kann nach Bedarf programmiert werden.
Der Kern der Mikrofabrikations-Strategie ist die mehrstufige Belichtung desselben unbelichteten Positivtonlackfilms, der immer noch photoreaktiv ist. Auf diese Weise wird der Formungszyklus wiederholt, wobei in jedem Schritt die magnetischen Materialien mit unterschiedlichen programmierten Richtungen in allen Raumrichtungen ausgerichtet werden, um die Beweglichkeit und Leistung der endgültigen magnetischen Mikroteile zu optimieren. Darüber hinaus werden mehrere Fotolackschichten bearbeitet, um komplexe 3D-Strukturen mit heterogenen Materialien zu gestalten. Nach dem Durchlauf aller Abformungszyklen wird der Fotolackfilm vollständig aufgelöst, so dass nur noch die fertigen Strukturen übrig bleiben.
2PP erschließt neue Chancen in der Mikrofabrikation
Der mehrstufige Abformungsprozess nutzt die 2PP-Fähigkeiten für die Mikrofabrikation in einem Positivtonlack, um Negativformen mit magnetischen Elastomer-Kompositen abzuformen. Darüber hinaus wird die 2PP-Technologie auch für den 3D-Druck von Mikrostrukturen in einem Negativlack eingesetzt. Die 3D-gedruckten Strukturen sind präzise auf die bereits vorhandenen Teile ausgerichtet. Die weichmagnetischen Komposit-Elemente fügen sich nahtlos in die mit 2PP gedruckten Strukturteile ein, aus denen komplexe Mikrobauteile-Designs entstehen.
Die neuartige Strategie wird anhand verschiedener beweglicher Mikroteile demonstriert, die einzigartige Bewegungen und Funktionen ausführen, so zum Beispiel magnetische Mikrorotoren zum Mischen von Flüssigkeiten, drehbare Systeme mit mehreren Freiheitsgraden und magnetische mikromechanische Bits (µM-Bits). Diese µM-Bits sind reversible Metamaterialien, die so programmiert werden können, dass sie zwischen zwei mechanischen Zuständen wechseln.
Neuartige Mikrorotoren mischen Flüssigkeiten
Mit der oben beschriebenen Strategie wurden magnetische Mikro-Rotoren mit komplexen 3D-Drehungen hergestellt und untersucht. Die Drehbewegung im Mikrometermaßstab zeigt ein phasenkoordiniertes Verhalten, das durch ein in der Ebene rotierendes Magnetfeld ausgelöst wird. Die Mikrorotoren bestehen aus einem direkt 3D-gedruckten starren Körper aus dem Negativtonlack IP-S von Nanoscribe mit 360 µm im Durchmesser und einer Höhe von 250 µm. Der Rotorring besteht aus einem magnetischen NdFeB-Elastomer-Komposit und ist in einer 3D-gedruckten Basis aus dem Fotolack IP-S befestigt. Zu Demonstrationszwecken wurde ein 8x8-Mikrorotor-Array hergestellt, das mit einer Phasendifferenz von π/4 zwischen jeder Reihe und Spalte programmiert wurde. Außerdem wurde die Funktionalität der Mikrorotoren für den Transport und das Mischen von Flüssigkeiten unter Verwendung eines rotierenden Magnetfelds von 40 Millitesla demonstriert.
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Information zum Video
Video 1: Ein magnetisches Mikro-Rotoren-Array (8x8) wurde mit Hilfe eines neuen 2PP-basierten Mikrofabrikationsprozesses hergestellt. Die Mikrorotoren drehen sich unter dem Einfluss eines magnetischen Feldes von 15 Millitesla, das mit einer Frequenz von 0,8 Hz in der Bild-Ebene rotiert.
Video 2: Mit dem neuen Fertigungsverfahren wurde ein 8x8-Array magnetischer Mikrorotoren hergestellt. Hier bewegen sich die Mikrorotoren unter einem 40 Millitesla-Magnetfeld, das mit 5,8 Hz in der Bildebene rotiert, und demonstrieren die Fähigkeit zum Transport und Mischen von Flüssigkeiten. Die in diesem Video gezeigte Drehgeschwindigkeit entspricht dem 5-fachen der tatsächlichen Geschwindigkeit der Mikrorotoren.
Quelle der Videos und Bilder: CC BY 4.0., Zemin Liu, Meng Li, et al., Nature Communications 13, 2016 (2022), doi:10.1038/s41467-022-29645-2. Die Videos und Bilder wurden an die erforderlichen Formate angepasst.