Bessere Mikroantriebe für den Stofftransport in Flüssigkeiten

Wissenschaftler forschen an Mikrometer-kleinen Antriebselementen, mit denen es in Zukunft möglich sein könnte, Medikamente oder chemische Sensormoleküle an bestimmte Orte innerhalb des Körpers zu transportieren. Forschende der ETH Zürich 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 für zukünftige Anwendungen optimieren zu können.

Die länglichen Antriebselemente, welche sich in Flüssigkeit fortbewegen können, sind schraubenförmig und magnetisch. Angetrieben werden sie über ein externes rotierendes Magnetfeld: Sie richten sich am Magnetfeld aus und drehen sich dadurch um die eigene Längsachse. Wegen ihrer Schraubenform bewegen sie sich so in der Flüssigkeit vorwärts.

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 für Mikro- und Nanosysteme, erklärt. Dies erschwerte es den Forschenden, präzise steuerbare und spurtreue Antriebselemente zu entwickeln. «Bisher schlingerten diese Elemente bei der Vorwärtsbewegung, 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 unabhängig von der Objektgeometrie bestimmen können.»

Mikro-3D-Drucker

Die Wissenschaftler verwenden dazu ein lichtempfindliches biokompatibles Epoxidharz, in das sie Magnetit-Nanopartikel einarbeiteten. In einem ersten Teil-Härtungsschritt setzten sie eine dünne 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 veränderten 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 härtet. Nicht gehärtete Stellen können anschliessend mit einem Lösungsmittel weggewaschen werden.

So stellten die Forschenden Schraubenstrukturen von 60 Mikrometern Länge und einem Durchmesser von neun Mikrometern her, und zwar solche mit einer Magnetisierung rechtwinklig zur Längsachse.  Mit herkömmlichen Verfahren könnte man ein Objekt mit solchen magnetischen Eigenschaften nicht herstellen. Denn die bevorzugte Magnetisierung verläuft in der Regel – wie bei einer Kompassnadel – in Richtung der Längsachse eines Objekts. Die neuen Antriebselemente können präzise gesteuert werden, schwimmen beinahe viermal so schnell wie bisherige Elemente und schlingern dabei nicht.

Neue Formen mit grösserer Oberfläche

Während frühere, anders hergestellte Mikroantriebselemente meist die Form eines Korkenziehers (einer Helix) besassen, können die ETH-Wissenschaftler dank der Mikro-3D-Fertigungstechnik auch davon abgewandelte Formen herstellen. In ihrer Studie stellten sie Strukturen ähnlich spiralförmig verdrehter Bänder und doppelt verdrillter Drähte her. Tests zeigten, dass sich diese Formen in Flüssigkeit ähnlich schnell fortbewegen wie Antriebselemente in Korkenzieherform. Von letzteren unterschieden sie sich jedoch durch eine zweieinhalb- bis viermal grössere Oberfläche. «Das macht sie für bestimmte Anwendungen interessanter», sagt Salvador Pané, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe von Bradley Nelson, Professor für Robotik und Intelligente Systeme.

Möchte man in Zukunft mit solchen Elementen Medikamente oder chemische Sensormoleküle an bestimmte Orte innerhalb des Körpers bringen, würde man die Antriebselemente mit den entsprechenden Molekülen beschichten. Und je grösser die Oberflächen dieser Elemente sind, desto grössere Stoffmengen können damit transportiert werden. Dass es grundsätzlich möglich ist, die Strukturen mit biomedizinisch interessanten Stoffen zu beschichten, haben die Forschenden gezeigt, indem sie Antikörper an die Oberfläche 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 mehrjährigen gemeinsamen Forschung von zwei Professuren des Departements Maschinenbau und Verfahrenstechnik in den Bereichen Mikrosystemtechnik und Mikrorobotik, ergänzt Pané. Die Gruppe von ETH-Professor Nelson hat eine mehrjährige Expertise in der Herstellung und Anwendung von magnetischen Schwimmelementen, jene von ETH-Professor Hierold in der Anwendung neuer funktionaler Materialien in Mikrosystemen.