3D-gedruckte Mikroskulpturen mit fortschrittlichen makromolekularen „Tinten“

Wenn wir an 3D-Druck denken, denken wir oft an heiße Düsen, die geschmolzenen Kunststoff herausspritzen. Andere beliebte Techniken umfassen das Einstrahlen von hellem Licht in Harz oder die Verwendung von Lasern zum Zusammenschmelzen von Metallpulvern. Alle diese Techniken eignen sich hervorragend zur Herstellung von Teilen mit komplizierten Geometrien im Desktop-Maßstab.

Es ist jedoch auch möglich, 3D-Drucke in völlig mikroskopischen Maßstäben durchzuführen. Forscher in Deutschland haben jetzt fortschrittliche makromolekulare „Tinten“ entwickelt, mit denen sich mikroskopisch kleine 3D-Skulpturen mit feinerer Steuerung als je zuvor erstellen lassen.

Auf dem neuesten Stand des 3D-Drucks ist es dem Team von Eva Blasco an der Universität Heidelberg gelungen, 3D-gedruckte Strukturen mit sorgfältig entworfenen Molekülsequenzen zu erstellen. Diese Technik spiegelt die Präzision wider, die in Polymeren in der natürlichen Welt zu finden ist – ähnlich der Art und Weise, wie DNA für genau bestimmte Aminosäuren mit exakter Zusammensetzung kodieren kann.

Die Forscher entwickelten zunächst akribisch die molekulare Sequenz ihrer Tinten, um eine beispiellose Kontrolle über die grundlegenden Eigenschaften des gedruckten Produkts zu erlangen. Vereinfacht ausgedrückt arbeiteten Blasco und ihr Team daran, Moleküle in einer benutzerdefinierten Reihenfolge anzuordnen, um einzigartige Strukturen mit anspruchsvollen Eigenschaften zu schaffen.

Blascos Team erstellte eine Reihe von Tinten mit jeweils einzigartigen Permutationen von acht molekularen Einheiten, um zu beobachten, wie sich eine Änderung der Reihenfolge auf die Eigenschaften der gedruckten Strukturen auswirkt. Diese werden in der wissenschaftlichen Literatur als sequenzdefinierte oder makromolekular definierte Polymere bezeichnet. Sie erfordern oft eine komplexe chemische Synthese, um Moleküle mit der genau gewünschten Struktur herzustellen. Diese präzisionsgefertigten Moleküle könnten umfassendere Anwendungen in Bereichen wie Datenspeicherung, Kryptographie oder pharmazeutischen Anwendungen finden, vorausgesetzt, Forscher können ihre Manipulation auf molekularer Ebene beherrschen.

Im Fall von Blascos Forschung bestand das Ziel darin, herauszufinden, ob verschiedene sequenzdefinierte Makromoleküle Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften erzeugen können. Ziel war es, die Moleküle präzise so zu konstruieren, dass sie für einen 3D-Druck-ähnlichen Prozess namens Zwei-Photonen-Laserdruck oder 2PLP geeignet sind. Derzeit als Werkzeug für die Arbeit mit Mikrofluidik und Mikrooptik beliebt, können damit winzige Strukturen auf mikroskopischer Ebene erzeugt werden. Mit fokussiertem Laserlicht wird ein Material immer wieder an einer präzisen Stelle polymerisiert, um 3D-Strukturen aufzubauen. Derzeit gelten die derzeit verfügbaren kommerziellen Materialien für diese Verwendung als ungenau in ihrer Zusammensetzung. Ziel war es daher, molekulargenaue Tinten für diesen Polymerisationsprozess zu entwickeln.

Das Forschungsteam erstellte drei verschiedene Sequenzen von Makromolekülen unter Verwendung (B) nichtfunktionaler und photovernetzbarer (C) Einheiten. Die verwendeten Sequenzen waren alternierend (BCBCBCBC), Triblock (CCBBBBCC) und Block (BBBBCCCC). Die Änderungen in der Reihenfolge hatten aufgrund der unterschiedlichen Strukturen auf molekularer Ebene direkte Auswirkungen auf die Verdruckbarkeit der Tinten.

Mit den Tinten wurden verschiedene Mikrostrukturen gedruckt, die anschließend auf ihre mechanischen und chemischen Eigenschaften untersucht wurden. Dies wurde durch Nanoindentationstests bzw. Raman-Spektroskopie erreicht. Es erforderte etwas Fingerspitzengefühl, sowohl bei der Synthese als auch bei der Steuerung des Laserdruckprozesses, aber das Team konnte mit den neuen Tinten eine Vielzahl von Strukturen erzeugen.

Die Ergebnisse zeigten insbesondere, dass die alternierende Struktur von den drei getesteten Strukturen die beste Druckbarkeit aufwies. Die Blockstruktur hatte den niedrigsten Elastizitätsmodul und wurde vom Triblock übertroffen, wobei die alternierende Sequenz das höchste Ergebnis lieferte und somit die größte Steifigkeit aufwies. Unterdessen zeigte die chemische Analyse, dass die Blockstruktur die höchste Laserleistung benötigte, um stabile Strukturen zu erzeugen, während die alternierende Version stabile Drucke mit geringeren Laserleistungen und einem geringeren Vernetzungsgrad erzeugte.

Die oben genannten ersten Tests wurden an einfachen Buckyball-Strukturen durchgeführt, die mit der 2PLP-Methode gedruckt wurden. Um die Leistung der Tinten jedoch besser darzustellen, hat das Forschungsteam auch einige komplexere Strukturen in 3D gedruckt, ähnlich wie das Benchy-Benchmark-Modell verwendet wird, um einen ganzheitlichen Überblick über die Leistung eines normalen 3D-Druckers zu erhalten. Die Forscher druckten ein Tukan-Modell mit der alternierenden Strukturtinte und zeigten einen großen Überhang von 10 µm am Schnabel des Vogels. Mit der Triblock-Tinte wurde ein Koala gedruckt, der sein fein detailliertes Fell zur Geltung brachte, während ein mit der Blocktinte gedrucktes Känguru-Modell wiederum gelungene Überhänge und feine Details zeigte.

Der Wert dieser Forschung besteht darin, dass sie zeigt, dass brauchbare sequenzdefinierte Tinten für den 2PLP-Mikrodruckprozess hergestellt werden können. Schließlich macht es nur Sinn, dass Sie Ihre Tinten auf einem möglichst feinen Niveau kontrollieren möchten, wenn Sie Merkmale im Mikrometermaßstab erzeugen. Während die Technologie bei der Herstellung einfacher Mikroskulpturen demonstriert wurde, könnten sich diese Techniken für eine Vielzahl kleiner Herstellungsaufgaben als entscheidend erweisen. Unabhängig davon, ob es um die Herstellung winziger optischer Komponenten, mikrofluidischer Werkzeuge oder Mikrorobotik geht, ist die ultimative Kontrolle über Materialeigenschaften auf molekularer Ebene von entscheidender Bedeutung.