Bessere Mikroantriebe für den Stofftransport in Flüssigkeiten

Wissenschaftler forschen an Mikrometer-kleinen Antriebselementen, mit denen es in Zukunft m?glich sein k?nnte, Medikamente oder chemische Sensormolek¨¹le an bestimmte Orte innerhalb des K?rpers zu transportieren. Forschende der ETH Z¨¹rich haben nun die Entwicklung solcher Mikromotoren einen entscheidenden Schritt weitergebracht: Eine neue Fertigungstechnik und ein neues Material erlauben es ihnen, solch winzige Antriebselemente in beliebiger Form herzustellen und sie so f¨¹r zuk¨¹nftige Anwendungen optimieren zu k?nnen.

Die l?nglichen Antriebselemente, welche sich in Fl¨¹ssigkeit fortbewegen k?nnen, sind schraubenf?rmig und magnetisch. Angetrieben werden sie ¨¹ber ein externes rotierendes Magnetfeld: Sie richten sich am Magnetfeld aus und drehen sich dadurch um die eigene L?ngsachse. Wegen ihrer Schraubenform bewegen sie sich so in der Fl¨¹ssigkeit vorw?rts.

Bei den bisherigen Herstellungstechniken hingen die magnetischen Eigenschaften von der Form der Mikroobjekte ab, wie Doktorand Christian Peters aus der Gruppe von Christofer Hierold, Professor f¨¹r Mikro- und Nanosysteme, erkl?rt. Dies erschwerte es den Forschenden, pr?zise steuerbare und spurtreue Antriebselemente zu entwickeln. ?Bisher schlingerten diese Elemente bei der Vorw?rtsbewegung, und sie waren wenig effizient, weil ihre magnetischen Eigenschaften nicht ideal waren?, sagt Peters. ?Wir haben nun aber ein Material und eine Herstellungstechnik entwickelt, mit denen wir die magnetischen Eigenschaften unabh?ngig von der Objektgeometrie bestimmen k?nnen.?

Mikro-3D-Drucker

Die Wissenschaftler verwenden dazu ein lichtempfindliches biokompatibles Epoxidharz, in das sie Magnetit-Nanopartikel einarbeiteten. In einem ersten Teil-H?rtungsschritt setzten sie eine d¨¹nne Schicht dieses Materials einem Magnetfeld aus. Dadurch wurden die Nanopartikel magnetisiert, und sie ordneten sich zugleich in parallelen Linien an. Die Orientierung dieser Linien bestimmt die magnetischen Eigenschaften des Materials. Aus dem ver?nderten Epoxidfilm stellten die Forschenden mittels sogenannter Zwei-Photonen-Polymerisation die winzigen Schraubenstrukturen her. Bei dieser Technik handelt es sich quasi um einen Mikro-3D-Drucker: Der Brennpunkt eines Laserstrahls wird dabei computergesteuert dreidimensional in der Epoxidharz-Schicht bewegt, wobei er das Harz lokal h?rtet. Nicht geh?rtete Stellen k?nnen anschliessend mit einem L?sungsmittel weggewaschen werden.

So stellten die Forschenden Schraubenstrukturen von 60 Mikrometern L?nge und einem Durchmesser von neun Mikrometern her, und zwar solche mit einer Magnetisierung rechtwinklig zur L?ngsachse.  Mit herk?mmlichen Verfahren k?nnte man ein Objekt mit solchen magnetischen Eigenschaften nicht herstellen. Denn die bevorzugte Magnetisierung verl?uft in der Regel ¨C wie bei einer Kompassnadel ¨C in Richtung der L?ngsachse eines Objekts. Die neuen Antriebselemente k?nnen pr?zise gesteuert werden, schwimmen beinahe viermal so schnell wie bisherige Elemente und schlingern dabei nicht.

Neue Formen mit gr?sserer Oberfl?che

W?hrend fr¨¹here, anders hergestellte Mikroantriebselemente meist die Form eines Korkenziehers (einer Helix) besassen, k?nnen die ETH-Wissenschaftler dank der Mikro-3D-Fertigungstechnik auch davon abgewandelte Formen herstellen. In ihrer Studie stellten sie Strukturen ?hnlich spiralf?rmig verdrehter B?nder und doppelt verdrillter Dr?hte her. Tests zeigten, dass sich diese Formen in Fl¨¹ssigkeit ?hnlich schnell fortbewegen wie Antriebselemente in Korkenzieherform. Von letzteren unterschieden sie sich jedoch durch eine zweieinhalb- bis viermal gr?ssere Oberfl?che. ?Das macht sie f¨¹r bestimmte Anwendungen interessanter?, sagt Salvador Pan¨¦, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe von Bradley Nelson, Professor f¨¹r Robotik und Intelligente Systeme.

M?chte man in Zukunft mit solchen Elementen Medikamente oder chemische Sensormolek¨¹le an bestimmte Orte innerhalb des K?rpers bringen, w¨¹rde man die Antriebselemente mit den entsprechenden Molek¨¹len beschichten. Und je gr?sser die Oberfl?chen dieser Elemente sind, desto gr?ssere Stoffmengen k?nnen damit transportiert werden. Dass es grunds?tzlich m?glich ist, die Strukturen mit biomedizinisch interessanten Stoffen zu beschichten, haben die Forschenden gezeigt, indem sie Antik?rper an die Oberfl?che der Schraubmotoren koppelten.

?Es geht uns aber nicht nur um die Anwendung in Mikroantrieben?, so Peters. ?Die neue Technik kann immer dann verwendet werden, wenn Mikroobjekte mit bestimmten magnetischen Eigenschaften hergestellt werden sollen.? Die Arbeit sei die Frucht einer mehrj?hrigen gemeinsamen Forschung von zwei Professuren des Departements Maschinenbau und Verfahrenstechnik in den Bereichen Mikrosystemtechnik und Mikrorobotik, erg?nzt Pan¨¦. Die Gruppe von ETH-Professor Nelson hat eine mehrj?hrige Expertise in der Herstellung und Anwendung von magnetischen Schwimmelementen, jene von ETH-Professor Hierold in der Anwendung neuer funktionaler Materialien in Mikrosystemen.