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Nano- und Mikrostrukturen 3D-drucken – so klein das Auge reicht

| Autor/ Redakteur: / Kathrin Schäfer

Auf 3D-Druckern für hochaufgelöste Nano- und Mikrostrukturen lassen sich kleinste Strukturen additiv herstellen. Mikrogreifer, Mikrolinsen oder Mikronadeln könnten die Chirurgie, die Endoskopie beziehungsweise die Medizin überhaupt revolutionieren.

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Diese hochauflösende Triplet-Linse wurde direkt auf eine Faser gedruckt und eignet sich beispielsweise für ein Endoskop.
Diese hochauflösende Triplet-Linse wurde direkt auf eine Faser gedruckt und eignet sich beispielsweise für ein Endoskop.
( Bild: T. Gissibl / Universität Stuttgart / PI 4 )
  • Zwei-Photonen-Polymerisation für die Biomedizin
  • Gedruckte Mikronadeln, Mikrogreifer für invasive Eingriffe und künstlich hergestellte Gerüste für die Zellregeneration
  • Lab-on-a-Chip-Systeme mit additiv hergestellten Mikrokomponenten

3D-gedruckte Objekte sind aus der Medizin nicht mehr wegzudenken: So werden beispielsweise Prothesen individuell gefertigt, und das Üben an originalgetreuen Modellen erleichtert Chirurgen komplizierte Eingriffe. Auf der Nano- und Mikrometerskala fehlten bisher allerdings geeignete Technologien, bestehende Limitierungen in Bezug auf Auflösung und einer Strukturgröße von kleiner als 100 μm zu überwinden. Dank der Technologie der Zwei-Photonen-Polymerisation können nun jedoch auch Strukturen in einem Maßstab realisiert werden, der für viele biomedizinische Anwendungen relevant ist, bisher aber unerschlossen war. Als Meilensteine der Entwicklung sind hier zum Beispiel gedruckte Mikronadeln, Mikrogreifer für invasive Eingriffe, Lab-on-a-Chip-Systeme oder auch künstlich hergestellte Gerüste für die Zellregeneration zu nennen.

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Dreidimensionale Strukturen in einem einzigen Druckschritt fertigen

Bei der Zwei-Photonen-Polymerisation rastert ein Laserstrahl lichtempfindliches Material in drei Dimensionen ab. Für die gewünschte Struktur werden zunächst STL-Daten aus einem digitalen Modell generiert, in einem üblichen 3D-Druck-Workflow aufbereitet und von der integrierten Systemsoftware verarbeitet. Während des Lage-für-Lage Schreibprozesses härtet das Druckmaterial an den belichteten Stellen aus. Die gedruckte Struktur kann nach einem Entwicklerbad direkt als Bauteil oder als Master für Abformungsprozesse verwendet sowie in galvanischen Prozessen weiterverarbeitet werden. Mit den Geräten der Firma Nanoscribe lassen sich dreidimensionale Strukturen mit einem Laserstrahl in einem einzigen Druckschritt fertigen. Dabei sind Bauhöhen von einigen hundert Nanometern bis hin zu mehreren Millimetern auf einem Schreibfeld von 100 x 100 mm2 möglich. Nahezu beliebige Geometrien, freitragende Strukturen, scharfe Kanten und selbst Unterschnitte können bei maximaler Designfreiheit realisiert werden.

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Auf diese Weise additiv, das heißt im 3D-Druckverfahren hergestellte, funktionale Bauteile können auch in komplexe Systeme integriert werden. Sie werden dabei selbst höchsten Anforderungen bezüglich Präzision und Auflösung gerecht, wie beim direkten Druck hochpräziser Linsen mit verschiedenen Brennweiten auf einen CMOS-Chip. Die einzelnen Linsen umfassen neben einem sehr scharfen, mittleren Sichtfeld dabei auch eine Weitwinkelfunktion – so dass sie gemeinsam auf allerkleinstem Bauraum ein sehr großes Sichtfeld – ähnlich dem eines Adlerauges – abdecken. Im Bereich der digitalen Bildgebung könnte dieses Verfahren zu erheblichen Qualitätssteigerungen führen.

Buchtipp „Additive Fertigung“ In dem neuen Grundlagenwerk Additive Fertigung erläutern bekannte Experten der ETH Zürich die zahlreichen Möglichkeiten der industriellen Entwicklung und Konstruktion additiv gefertigter Serien- und Endkundenteile. Neben erfolgreichen Produktbeispielen aus der Industrie werden neue Methoden und Vorgehensweisen vorgestellt, die dem Leser als praxisnaher Leitfaden dienen. „Additive Fertigung“ kann hier versandkostenfrei oder als eBook bestellt werden.

Zahlreiche Medizinprodukte lassen sich jetzt im Miniformat herstellen

Nach neuen Lösungen zur punktgenauen Abgabe von Medikamenten suchten Nanoscribe-Kunden in den USA. Dafür druckten sie einen porösen, 900 µm hohen Zylinder, der mit einem Wirkstoff befüllt wurde. Die einzelnen Zylinderöffnungen haben einen Durchmesser von 5 µm. Die sogenannten Biokäfige wurden an Mäusen getestet. Innerhalb des Untersuchungszeitraums von 24 Stunden zeigte sich, dass die Biokäfige zur zielgenauen Abgabe von Wirkstoffen in spezifischen Regionen fähig waren, was die direkte Behandlung von sensiblen Zielgeweben ermöglichen könnte. Zu den potenziellen Einsatzgebieten dieser Biokäfige zählen neben der Behandlung neurologischer Störungen auch Augenkrankheiten oder die Krebstherapie.

Des Weiteren könnten Lab-on-a-Chip-Systeme mit additiv hergestellten Mikrokomponenten die Leistung und den Einsatz von Point-of-Care-Testgeräten für Schnelltests revolutionieren. Auf diesem Gebiet entwickelt Smartcatch, eine Ausgründung der Universität Toulouse, aktuell eine Methode zur Untersuchung von Blutproben. Dabei sollen im Blut zirkulierende Krebszellen mittels 3D-gedruckter Membrane, die mikroskopisch kleine Öffnungen besitzen, eingefangen werden.

Auch in den Bereich der Endoskopie zieht der hochauflösende 3D-Mikrodruck ein. Während herkömmlichen 3D-Drucktechnologien die für optische Anwendungen nötige Auflösung und Präzision fehlen, kann mit der Zwei-Photonen-Polymerisation ein breites Spektrum nahezu beliebiger mikrooptischer Strukturen wie refraktive Standard-Mikrooptiken, Freiformoptiken oder sogar Multiplet-Linsensysteme additiv hergestellt werden. Selbst der direkte Druck hochpräziser Mikrolinsen auf Glasfasern, die beispielsweise für Mini-Endoskope genutzt werden könnten, wird möglich. Damit ließen sich selbst allerkleinste Öffnungen des Körpers erreichen, um Untersuchungen und minimal-invasive Eingriffe vorzunehmen.

Bietet die additive Fertigung im größeren Maßstab Chirurgen und Ärzten schon heute wertvolle Unterstützung, so birgt der innovative 3D-Nano- und Mikrodruck auch großes Potenzial für die Biomedizin. Zukunftsträchtige Anwendungen reichen von gedruckten Miniatur-Instrumenten über die Diagnostik, Medikamenten-Therapie bis hin zum Monitoring. Bei Nanoscribe ist man deshalb überzeugt: Visionen und Ideen, die heute noch untersucht und getestet werden, könnten sich dank 3D-Mikrodruck schon bald zu Meilensteinen der Medizin entwickeln.

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