Multifunktionale Mikrosysteme aus Glas

Bild 1. Mikrofluidik-Chip, hergestellt im Femtoprint-Prozess

Der 3D-Druck ist heute ein Standardverfahren, um eine breite Palette von Komponenten und Systemen zu produzieren. Mithilfe des 3D-Drucks können auch medizinische Instrumente, Implantate und portable Analysegeräte kostengünstig hergestellt werden. Die Medizintechnik ist je­doch sehr an­spruchsvoll, und nur wenige Verfahren sind heute in der Lage, den dort geltenden Anforderungen zu genügen, beispielsweise in Bezug auf die Biokompatibilität, die Schaffung antibakterieller Oberflächen, die Miniaturisierung oder die Funktionsintegration.

Für derartige Anwendungen stellt das selektive laserinduzierte Ätzen des schweizerischen Unternehmens Femtoprint eine geeignete Lösung dar. Bei dem Verfahren wird mithilfe von Femtosekunden­lasern das Material so modifiziert, dass beim anschließenden Ätzprozess deutlich höhere Ätzraten erzielt werden können. Das Verfahren ist damit zwar ein ›schreibendes‹ Verfahren, sein Wirkprinzip ist jedoch nicht additiv, sondern subtraktiv. Dank der Kombination aus Multi-Photonen-Prozess und selektivem Nassätzen kann Femtoprint komplexe drei­dimensionale Mikrokomponenten und -systeme aus Glas und anderen transparenten Materialien herstellen. Der Laserprozess kann optische, fluidische und mechanische Funktionen in einem einzelnen Mikrosystem realisieren.

Die Mikrosysteme können nicht nur aus Standardglas, sondern auch aus Borosilikat, Quarzglas und anderen biokompatiblen, isotropen und stabilen durchsichtigen Materialien hergestellt werden, und das mit hoher Genauigkeit und Flexibilität. Beispiele aus der Medizintechnik sind Mikrodüsen für Zerstäuber, transparente Mikrokatheter in Kombination mit optischen Sensoren, gekapselte Mikrochips, Lab-on-Chips für diagnostische Schnell­tests, Prototypen für Ohrimplantate, antibakterielle Systeme mit einer von Haihaut inspirierten Oberfläche, Gussformen sowie Mikrolinsen.

In der Optik und Telekommunikationstechnik können Mikrolinsen-Arrays, Lab-on-Fiber, Beam Combiner oder generell optische Komponenten mit beliebigen Formen und in optischer Oberflächenqualität realisiert werden. In der Uhrenindustrie können sämtliche mikromechanische Komponenten und Baugruppen, inklusive flexibler Elemente, in einem Schritt mit hoher Präzision und rissfreien Oberflächen hergestellt werden. Dank der Kompatibilität von einigen Glassorten mit Silizium kann Femtoprint auch auf Glassorten für die Elektronik zurückgreifen. Dabei sind die Grenzen der Anwendungsmöglichkeiten bei Weitem noch nicht ausgeschöpft.

So hat vor Kurzem das Transport Phenomena Research Center (Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Universität von Porto, Portugal) erforscht, welchen Effekt der Prototyp eines ›schwimmenden‹ Microbots auf die Strömungsdynamik des menschlichen Bluts hat.

Lab-on-Chips und Microbots
Der Einfluss der Microbot-Morphologie auf die Blutfließeigenschaften war einer der wichtigsten zu untersuchenden Aspekte. Als kritisch erwies sich dabei die Herstellung der erforderlichen Microbot-Modelle, besonders aufgrund ihrer geringen Abmessungen von etwa 100 µm, ihrer komplexen 3D-Geometrie sowie der geringen Oberflächenrauigkeit. Dabei galt es, den Microbot für die Flüssigkeits­strömung zu optimieren. Um die mechanische Kon­tinuität zwischen dem Microbot-Modell und dem Boden des Kanals zu gewährleisten, wurde ein extrem dünner und flexibler Zylinder gefertigt mit einem Durchmesser von etwa 20 µm, einem Aspektverhältnis von 1:15 sowie einer Genauigkeit von weniger als 1 µm.

Gerade Mikrokanäle mit verschiedenen Microbot-Prototypen (kubischer Block, Kugel und zwei verschiedenen Ellipsoiden) wurden mit einer Genauigkeit unter 1 µm in der Position, Form und Ober­flächenrauheit hergestellt (Bild 1) ...

Hersteller
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