Forscher entwickeln neues Verfahren zur Massenproduktion 3D-gedruckter mikroskaliger Partikel

Im Bereich des 3D-Drucks winziger Strukturen wurden durch Forscher verschiedener Universitäten bereits große Meilensteine erreicht. So ist es Wissenschaftlern gelungen 3D-gedruckte Keramikstrukturen in der Mikrooptik oder etwa 3D-gedruckte Mikrooptiken für Hybridlaser zu produzieren. Forscher der Stanford University in Kalifornien, USA, haben nun kürzlich ein neues 3D-Druckverfahren auf der Mikroebene zur Herstellung von Partikeln in einer Vielfalt an Formen entwickelt. Das Besondere an dem neuen Verfahren ist seine ausgesprochene Geschwindigkeit, sodass auf diese Weise täglich bis zu einer Million hochdetaillierte und individuell anpassbare Partikel auf effiziente Weise produziert werden können. Die 3D-gedruckten mikroskopisch kleinen Partikel eignen sich beispielsweise zur Anwendung im Bereich der Fertigung, der Medizin sowie der Forschung, genauer für die Mikroelektronik, die Mikrofluidik und als Schleifmittel für komplizierte Fertigungsprozesse sowie für die Arzneimittel- und Impfstoffverabreichung. Finanziert wurde die Forschung teilweise von der Bill & Melinda Gates Foundation sowie von dem National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program.

Bisher war die Herstellung derartiger mikroskaliger Partikel alles andere als trivial. Um die Partikel skalierbar produzieren zu können, bedarf es nämlich einer ganz bestimmten Kombination an Lichtzufuhr, Harzeigenschaften und Bühnenbewegung. Das neue Verfahren schafft hier Abhilfe. Jetzt könne man viel komplexere Formen bis in den mikroskopischen Bereich hinein herstellen, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die bisher für die Herstellung von Partikeln nicht erreicht wurde, und aus einer Vielzahl von Materialien, so der Hauptautor der Veröffentlichung, die sich mit dem neuen Verfahren befasst, sowie Doktorand im DeSimone-Labor in Stanford, Jason Kronenfeld. Laut dem Sanjiv Sam Gambhir Professor für Translationale Medizin an der Standford Medicine und korrespondierender Autor der Studie, Joseph DeSimone, glaube man, dass die Skalierbarkeit dieser Methode zu Möglichkeiten führt, diese Partikel als Antrieb für die Industrie der Zukunft zu nutzen.

Geometrien, die mit r2rCLIP hergestellt wurden (Bild: Kronenfeld et al.)

Das neue Verfahren für den 3D-Druck mikroskaliger Partikel

Die von den Wissenschaftlern verfasste Arbeit, welche in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht wurde, greift das 3D-Druckverfahren der „Continuous Liquid Interface Production“ (CLIP) auf, dessen Einführung bereits 2015 durch DeSimone und Kollegen stattgefunden hat. Dabei wird mit Hilfe von in Scheiben projeziertem UV-Licht Harz gehärtet. Die Methode zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass sie einen besonders schnellen 3D-Druck der Partikel bewirkt. Dies wird dadurch ermöglicht, dass empfindliche Strukturen aushärten können, ohne jede Schicht von einem Fenster abreißen zu müssen. Oberhalb der UV-Lichtquelle befindet sich nämlich ein sauerstoffdurchlässiges Fenster, durch welches eine sogenannte „tote Zohne“ entsteht, mit Hilfe derer flüssiger Kunststoff vor dem Aushärten bewahrt wird, sodass das ungewollte Haftenbleiben am Fenster vermieden wird.

Die Forscher wollten das Verfahren jedoch für die Herstellung einer größeren Partikelanzahl aufeinmal anwenden, sodass eine tägliche Anzahl von bis zu einer Million erreichbar wäre, was bisher mit manueller Arbeit sowie einem großen Zeitaufwand verbunden war. Um das bestehende Verfahren zur Massenproduktion maßgeschneiderter winziger Partikel anzupassen, schafften die Forscher deshalb eine Erweiterung namens „roll-to-roll CLIP“, kurz r2rCLIP. Der Name leitet sich durch die Funktionsweise des Verfahrens ab, welche einem Fließband ähnelt. Zunächst wird nämlich eine Folie gespannt, die an den CLIP-3D-Drucker übermittelt wird, der im nächsten Schritt Hunderte von Strukturen aufeinmal auf die Folie druckt. Nach dem Druck werden die Strukturen am Fließband gewaschen, ausgehärtet und entfernt, bevor die leere Folie wieder aufgerollt wird. Kronenfeld äußerte sich abschließend mit diesen Worten zu der neuen Entwicklung:

Wir bewegen uns in einem präzisen Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit und Auflösung. Unser Ansatz ist eindeutig in der Lage, hochauflösende Ergebnisse zu produzieren und gleichzeitig das Herstellungstempo beizubehalten, das erforderlich ist, um die Partikelproduktionsmengen zu erreichen, die Experten für verschiedene Anwendungen als wesentlich erachten.“

Mehr Informationen zu der Entwicklung des neuen Verfahrens zur Massenproduktion mikroskaliger Partikel erhalten Sie in der Pressemeldung der Stanford University.

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*Titelbildnachweis: DeSimone Research Group, SEM courtesy of Stanford Nano Shared Facilities