Programmierbare 3D-Strukturen auf der Mikroskala

• Antragstellerin: Professorin Eva Blasco, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Polymermaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 419400349

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In den letzten Jahrzehnten hat der 3D-Druck sowohl auf technologischer als auch auf Materialseite enorme Fortschritte gemacht. Die meisten 3D-Druckmaterialien sind jedoch in einem Aspekt begrenzt: Sie erzeugen statische 3D-Strukturen, unfähig auf die Umgebung zu reagieren oder sich an sie anzupassen - was ihre Anwendbarkeit für zukünftige intelligente Technologien, die ein dynamisches Verhalten erfordern, einschränkt. Um dies zu überwinden, wurde das Konzept des "4D-Drucks" entwickelt, das die vierte Dimension "Zeit" in 3D- gedruckte Strukturen einführt und mit Eigenschaften wie Anpassungsfähigkeit und Responsivität auf äußere Reize wie Temperatur oder Licht ausstattet. Eine Strategie für die Herstellung solcher 4D-Strukturen ist die Nutzung intelligenter Polymermaterialien wie Formgedächtnispolymere (SMP) für das 4D-Tintendesign. Obwohl das Konzept der SMPs bereits auf der Makroskala untersucht wurde, ist die Mikroskala kaum erforscht. Im Rahmen dieses Projekts wurde eine neuartige SMP-Tinte entwickelt, die ausgezeichnete Druckbarkeit von thermoresponsiven 4D-Strukturen auf der Makro- und Mikroskala unter Verwendung lichtbasierter Druckverfahren (digitale Lichtverarbeitung (DLP) und Zweiphotonenlithographie (2PLP)) bietet. Um dies zu erreichen, wurde ein SMP-Tintensystem entwickelt und für jede Methode optimiert, was zu einer Tintenformulierung für jeden Maßstab führte. Sowohl im Makro- als auch im Mikrobereich wurden hervorragende Druck- und Formgedächtniseigenschaften nachgewiesen. Insbesondere die mit 2PLP druckbare Mikroformulierung scheint ein vielversprechendes System für zukünftige Anwendungen in der Mikrorobotik, biomedizinischen Therapien oder intelligenten Mikrosensoren zu sein. Um die Anwendbarkeit der Makroformulierung zu erweitern, wurden Push-Pull-Azofarbstoffe in die SMP-Formulierung eingearbeitet, die die DLP-Erzeugung von lichtempfindlichen 4D-Geometrien ermöglichen. Licht bietet hier zusätzliche räumliche Kontrolle und Zugang zu einer Vielzahl von programmierten Zwischenformen während des Formgedächtniszyklus. Darüber hinaus wurde ein weiterer Aspekt des 4D-Drucks untersucht, nämlich die Implementierung von Funktionalitäten in 3D-gedruckte Mikrogeometrien, die mittels Alkoxyamin-Chemie postmodifiziert werden können, was die Abstimmbarkeit und damit die Programmierbarkeit der mechanischen Eigenschaften und der Größe ermöglicht. Erreicht wurde dies durch den Einbau ruhender Alkoxyaminbindungen während des 2PLP-Herstellungsprozesses, was die nachträgliche Modifikation mittels Nitroxid-Austauschreaktion (NER) oder Nitroxid-vermittelter Polymerisation (NMP) ermöglicht. Mit diesem Ansatz konnte eine bemerkenswerte Abstimmbarkeit der mechanischen Eigenschaften und der Größe erreicht werden. Dies eröffnet Wege zu präzise herstellbaren und anpassbaren "lebenden" Mikrostrukturen, die für Bereiche, in denen abstimmbare Mikrostrukturen benötigt werden, von großer Bedeutung sind.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• 4D Printing at the Microscale. Advanced Functional Materials, 30(26).
  Spiegel, Christoph A.; Hippler, Marc; Münchinger, Alexander; Bastmeyer, Martin; Barner‐Kowollik, Christopher; Wegener, Martin & Blasco, Eva
  
• 4D Microprinting. Smart Materials in Additive Manufacturing, Volume 1 : 4D Printing Principles and Fabrication, 231-263. Elsevier.
  Hsu, Li-Yun; Spiegel, Christoph Alexander & Blasco, Eva
  
• 4D Printed programmable microstructures: from macro- to microscale”, 4D Materials Design and Additive Manufacturing Conference 2022 (online conference), September 2022.
  C. A Spiegel & E. Blasco
  
• 4D Printing of Shape Memory Polymers: From Macro to Micro. Advanced Functional Materials, 32(51).
  Spiegel, Christoph A.; Hackner, Maximilian; Bothe, Viktoria P.; Spatz, Joachim P. & Blasco, Eva
  
• Covalent Adaptable Microstructures via Combining Two‐Photon Laser Printing and Alkoxyamine Chemistry: Toward Living 3D Microstructures. Advanced Functional Materials, 33(39).
  Jia, Yixuan; Spiegel, Christoph A.; Welle, Alexander; Heißler, Stefan; Sedghamiz, Elaheh; Liu, Modan; Wenzel, Wolfgang; Hackner, Maximilian; Spatz, Joachim P.; Tsotsalas, Manuel & Blasco, Eva
  
• Towards covalent adaptable microstructures by combination of two-photon laser printing and alkoxyamine chemistry”, 4D Materials Design and Additive Manufacturing Conference 2022 (online conference), September 2022.
  C. A Spiegel & E. Blasco
  
• “4D Printed Programmable Structures”, 2022 MRS Spring Meeting SF14.06.03 “New Materials and Technologies III” (online conference), May 2022.
  C. A Spiegel & E. Blasco
  
• Future 3D Additive Manufacturing – The 3DMM2O Conference 2023: 3D Molecular Systems, March 2023.
  C. A. Spiegel, H. B. Duc Tran, Y. Jia, W. Wenzel & E. Blasco
  
• Introducing Dynamic Bonds in Light‐based 3D Printing. Advanced Functional Materials, 34(20).
  Zhu, Guangda; Houck, Hannes A.; Spiegel, Christoph A.; Selhuber‐Unkel, Christine; Hou, Yi & Blasco, Eva
  
• MSDE Symposium 2023: Frontiers in Molecular Engineering. 18.05.2023
  C. A. Spiegel, H. B. Duc Tran, Y. Jia, W. Wenzel, M. Tsotsalas & E. Blasco
  
• “4D microprinting of programmable polymers: towards “living” behaviours”, SPIE Photonic West 2023, January 2023.
  E. Blasco, C. A. Spiegel & L.-Y. Hsu
  
• “4D nanoprinting of programmable polymers”, Photonic West, January 2023. SPIE 3D printing Award
  C. A Spiegel & E. Blasco