21.11.2014 - Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Bessere Mikroantriebe für den Stofftransport in Flüssigkeiten

Forschende entwickelten verbesserte Formen von winzigen magnetischen Antriebselementen. Möglich war dies dank eines neuen Materials und einer Mikro-3D-Drucktechnik.

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.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
Mehr über ETH Zürich
  • News

    Eine neue Theorie für Halbleiter aus Nanokristallen

    ETH-​Forscher haben die erste theoretische Erklärung dafür geliefert, wie elektrischer Strom in Halbleitern aus Nanokristallen geleitet wird. Dadurch könnten in Zukunft neue Sensoren, Laser oder LEDs für Bildschirme entwickelt werden. Seit einigen Jahren kann man Fernsehapparate kaufen, in ... mehr

    Verteilung der Kettenlängen von Polymeren gezielt einstellen

    ETH-​Forscher entwickeln eine neue Methode, um kontrolliert Polymere von unterschiedlicher Länge zu erzeugen. Dies ebnet den Weg für neue Klassen von Kunststoffen, die in bisher undenkbaren Anwendungen eingesetzt werden können. Aus unserem Alltag sind Materialien aus synthetischen Polymeren ... mehr

    Überraschend starkes und verformbares Silizium

    Forscher der ETH Zürich und der Empa haben gezeigt, dass man aus Silizium kleinste Objekte herstellen kann, die deutlich fester und verformbarer sind als bisher gedacht. Dadurch können etwa Sensoren in Handys kleiner und robuster werden. Seit vor sechzig Jahren der Mosfet-​Transistor erfund ... mehr

  • Forschungsinstitute

    ETH Zürich Inst.f. Lebensm.wiss.,Ern.,Ges.

    Die Kernkompetenzen des Labors für Lebensmittelmikrobiologie sind die Detektion und Kontrolle von pathogenen Organismen im Lebensmittel, die Analyse komplexer Mikrofloren und molekulare Mechanismen der bakteriellen Pathogenität. mehr

  • q&more Artikel

    Analytik in Picoliter-Volumina

    Zeit, Kosten und personellen Aufwand senken – viele grundlegende sowie angewandte analytische und diagnostische Herausforderungen können mit Lab-on-a-Chip-Systemen realisiert werden. Sie erlauben die Verringerung von Probenmengen, die Automatisierung und Parallelisierung von Arbeitsschritte ... mehr

    Investition für die Zukunft

    Dies ist das ganz besondere Anliegen und gleichzeitig der Anspruch von Frau Dr. Irmgard Werner, die als Dozentin an der ETH Zürich jährlich rund 65 Pharmaziestudenten im 5. Semester im Praktikum „pharmazeutische Analytik“ betreut. Mit Freude und Begeisterung für ihr Fach stellt sie sich imm ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Petra S. Dittrich

    Jg. 1974, ist Außerordentliche Professorin am Department Biosysteme der ETH Zürich. Sie studierte Chemie an der Universität Bielefeld und Universidad de Salamanca (Spanien). Nach der Promotion am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen war sie Postdoktorandin am ISAS In ... mehr

    Dr. Felix Kurth

    Jg. 1982, studierte Bioingenieurwesen an der Technischen Universität Dortmund und an der Königlich Technischen Hochschule in Stockholm. Für seine Promotion, die er 2015 von der Eidgenössisch Technischen Hochschule in Zürich erlangte, entwickelte er Lab-on-a-Chip Systeme und Methoden zur Qua ... mehr

    Lucas Armbrecht

    Jg. 1989, studierte Mikrosystemtechnik an der Albert-Ludwigs Universität in Freiburg im Breisgau. Während seines Masterstudiums konzentrierte er sich auf die Bereiche Sensorik und Lab-on-a-Chip. Seit dem Juni 2015 forscht er in der Arbeitsgruppe für Bioanalytik im Bereich Einzelzellanalytik ... mehr