WHITEPAPER – 3D-Laserlithografie in Biotechnologie und Medizintechnik
Steffen Arnold

3D-Laserlithografie in Biotechnologie
und Medizintechnik
Hochpräzise, piezobasierte Nanopositioniersysteme treiben
die Technik voran

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Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG_Auf der Römerstraße 1_76228 Karlsruhe
Tel. +49 721 4846-0, Fax +49 721 4846-1019 E-Mail info@pi.ws, www.pi.de

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Mit der Laserlithografie lassen sich selbst sehr komplexedreidimensionale

Mikro-undNanostrukturen

inphotosensitiven Materialien herstellen. Realisierbar ist
diefürsolcheAnwendungen

erforderliche

hohe

Präzision beim dreidimensionalen „Laser-Schreiben“
jedoch nur, wenn die zu bearbeitenden Materialien
entsprechend genau positioniert werden. Hier können
piezobasierte

Nanopositioniersysteme

ihre

Vorteile

ausspielen: Sie arbeiten mit Wiederholgenauigkeiten im
Nanometerbereich bei Ansprechzeiten unterhalb einer
Millisekunde und bieten somit ideale VoraussetzungenfüreinehoheBahnsteuerung.

Reproduzierbarkeit
DieimundFolgenden

exaktebeschriebene

Abb. 2 Mikroinjektionskanülen gefertigt mit Hilfe der 3D
Laserlithografie (Bild: Nanoscribe)
Davon profitieren heute bereits etliche Anwendungen,z.B. lassen sich per „Laser-Schreiben“ Mikrostrukturen

Anwendung liefert dafür den Beweis.

für Kanülen (Abb. 2) herstellen oder Oberflächen mit
bestimmten biomimetischen Eigenschaften ausstatten.
Wichtige Schlagworte in diesem Zusammenhang sind
Gecko- und Lotuseffekt. Ein typischer Einsatzbereich fürdie 3D-Laser-Lithografie bzw. den 3D Druck auf derMikrometerskala

istaberauch

dieHerstellung

dreidimensionaler Gerüste für die Zellbiologie.

Zellkultivierung in der dritten
Dimension
Der klassischen Zellkultivierung sind in der flachen
Abb. 1 3D Laserlithografiesystem der Nanoscribe GmbH,mit dem sich komplexe dreidimensionale Mikro- undNanostrukturen in photosensitiven Materialien herstellenlassen. Die Strukturdaten können mit gängiger CADSoftware erzeugt werden (Bild: Nanoscribe)
DieNanoscribe

LeopoldshafenGmbH,
beiansässigKarlsruhe,inEggenstein-vertreibt

Laser-

Petrischale Grenzen gesetzt. Denn im natürlichen
Gewebe befinden sich
Regel

in

Zellen im Organismus in dereiner extrazellulären

Matrix,

also

einer

dreidimensionalen und gleichzeitig flexiblen Umgebung
im räumlichen Verbund.
Eine

Petrischale

kann

diese

realenLithografiesysteme (Abb. 1), mit denen man komplexe

Umgebungsbedingungen nicht simulieren. Dadurch ist

dreidimensionale

ihre Einsatzmöglichkeit eingeschränkt. Abhilfe schafft

Mikro-undNanosobjekte

vollautomatisch und reproduzierbar mit einer zuvor nicht

nundasbeschriebene

Verfahren,vorhandenen Design-Flexibilität mit Strukturhöhen bis in

Wissenschaftler am Karlsruher Institut für Technologie

den Millimeterbereich realisieren kann.

(KIT) zunutze gemacht haben.

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Mittels der 3D-Laserlithografie lassen sich beliebig

Kräftestrukturierte und flexible Gerüste auch dreidimensional

unterschiedliche Stimuli beobachten und auswerten. Das

reproduzierbar herstellen.Das heißt, die Zellen können

Resultat sind beispielsweise Erkenntnisse im Hinblicksich innerhalb einer speziellen räumlichen Matrix, alsoaufeines Gerüsts, ansiedeln (Abb. 3).

Wirkstoffen auf die Wundheilung.

Abb. 3 Dreidimensionales Gerüst: Zellen docken an den„Griffen“ an (Bild: Mit freundlicher Genehmigung vonProf. Dr. Martin Bastmeyer, Zoologisches Institut amKIT)

Abb. 4 Untersucht werden kann auf diese Weise derEinfluss der physischen Umgebung (Steifigkeit undArchitektur) auf die Stammzellendifferenzierung oder dieZellmigration (Bild: Mit freundlicher Genehmigung vonProf. Dr. Martin Bastmeyer, Benjamin Richter, KIT)

Das dargestellte Gerüst selbst besteht aus 25 µm hohen„Schreiben“ mit dem LaserstiftPfosten, die in unterschiedlichen Höhen mit dünnen
Sprossen verbunden sind. Dieses Grundgerüst besteht
aus einem Protein abweisenden Polymer.

lassensichmessen,

Geweberegeneration

oderReaktionen

derEinfluss

aufvonWie die Strukturen gefertigt werden, ist keineswegs
trivial, vom Prinzip her aber dennoch einfach zu
verstehen:

Durch

Zusätzlich sind in der Mitte der Sprossen „Haltegriffe“

Laserpulsein

oder „Andockstellen“ für die Zellen angebracht. Hier

verträgliche

Polymerkönnen sich die Zellen definiert anheften, weil an diesen

nichtlinearen optischen Prozess im Fokus belichtet.

Stellen spezielle Haftungsproteine angelagert sind. Eine

Vergleichbar einem Stift, der in drei Dimensionen geführt

solche Matrix erschließt zahlreiche neue Möglichkeiten

wird, beschreibt der Laserstrahl das Material entlang(Bild 4).

beliebiger Pfade. Dabei werden Linienbreiten vonUntersucht werden kann auf diese Weise der Einfluss
der physischen Umgebung (Steifigkeit und Architektur)
auf

dieZellmigration.

Stammzellendifferenzierungoderdiestarkes

dasFokussieren

photosensitive
wird

diesesundultrakurzer
biologischübereinenmehreren Mikrometern bis hinunter zu 150 nm erreicht.
Bei dem Abfahren der 3D Trajektorien kann eine hohe
Präzision nur durch ein sehr genaues Positionieren inallen drei Raumdimensionen erreicht werden.

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Während des Schreibvorgangs bleiben Laser und Fokus
fixunddasWerkstück

dreidimensionalenmuss

entsprechend

Schreibaufgabe

bewegtderwerden.

Erschwerend kommt noch hinzu, dass es nicht genügt,
bestimmte Positionen hochgenau anzufahren.
Der Weg ist hier genauso wichtig wie das Ziel, dieApplikation

erfordertdeshalb

auch

eine

präziseBahnsteuerung. Während der Fahrt wird dann dievariiert, um das gewünschte Druckergebnis zu erzielen.

Abb. 6 Das Piezo-Nanopositioniersystem arbeitet nicht
nur hochgenau; sondern lässt sich auch gut in die
Applikation integrieren (Bild: Physik Instrumente)

Das für die Probenpositionierung eingesetzte System ist

Derdamitdasmikroskopüblichen

dereinen Positionierbereich des Piezo-Schreibvolumens auf

Laserintensität entsprechend der Bahngeschwindigkeit

eineSchlüsselkomponente

Laserlithografiegerät„PhotonicfürProfessional“

Mehrachsen-StelltischP-563

XY-Scannertischistaufeinem

aufgesetzt,

dereiner Fläche von bis zu 100 x 100 mm² erlaubt. Die

Nanoscribe GmbH.

Stellwege des Piezos erlauben ein Schreibvolumen vonPräzise Positionierung desLaserfokus
Hier fiel die Wahl auf ein Positioniersystem aus dem
Produktprogramm der in Karlsruhe ansässigen Firma
Physik Instrumente (PI). PI bietet weltweit die größte
Auswahl an hochdynamischen und hochauflösenden
Piezo-Nanopositioniersystemen

fürwissenschaftliche

und industrielle Anwendungen (Abb. 5, Abb. 6).

300 x 300 x 300 µm³, wobei die Wiederholgenauigkeit im
Nanometerbereich liegt. Die treibende Kraft dieses
Nanopositioniersystems

sind

Piezoaktoren.

Diese

Piezoaktoren wandeln elektrische Energie direkt inmechanischeundumgekehrt.

Dabeikönnen

typischerweise Stellwege bis zu etwa einem Millimeter
bei Auflösungen bis hinunter in den Nanometerbereichund hohe Dynamik mit Frequenzen bis zu mehreren
Kilohertz

erreicht

werden.

Diesehr

hohe

Bewegungsauflösung ist nur möglich, weil die Bewegung
auf kristallinen Effekten beruht, und es keine klassischen
mechanischen Komponenten gibt, die Reibung odermechanisches Spiel besitzen. Piezoaktoren können
darüber hinaus große Lasten bewegen und besitzen
eine kompakte Bauweise.

Kapazitive Sensoren undParallelkinematik
InAbb. 5 Die Feinjustierung von Objekt oder Probeübernimmt das Piezo-Nanopositioniersystem (Bild:Physik Instrumente)dasPositioniersystem

integrierte

hochlinearekapazitive Sensoren sorgen für die genaue IstwertErfassung, die notwendig ist, um die Probe präzise undwiederholbar relativ zum Laserfokus zu bewegen.

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Diese Sensoren erfassen die Bewegung direkt undDie dafür notwendige Bahnsteuerung übernimmt einermöglichen

digitaler

dadurchhöherePhasentreue

undBandbreite als indirekte Systeme.

als parallelkinematisches Mehrachssystem bei. Diesindinparallelkinematisches

Ebensowie

dasNanopositioniersystem stammt auch er aus dem PI-

Zur hohen Positioniergenauigkeit trägt auch der Aufbau

Piezoaktoren

Controller.

einreibungsfreies

Führungssystem

mit

Festkörpergelenken integriert. Alle Piezoaktoren wirken

Programm und ist speziell auf die mehrachsigen
parallelkinematischen

Piezo-Nanopositioniersysteme

abgestimmt. Auch die bei den 3D-Lithografiegeräten
sehr hohen Anforderungen an die Bahngenauigkeit
lassen sich damit erfüllen.

auf eine zentrale Plattform. Dadurch lässt sich ein

Die hochgenauen Piezo-Nanopositioniersysteme tragenidentisches dynamisches Verhalten für alle Achsen

damit wesentlich dazu bei, die Lithografietechnik einenerzielen.

entscheidenden Schritt voranzutreiben.

Bei der 3D-Lithografie ist das besonders vorteilhaft, daDavon profitieren Anwender nicht nur in Medizintechnik

die Objekte beliebige Strukturen besitzen können. Eineund Biotechnologie, sondern auch in anderen Branchen.

„langsamere“ Achse, wie sie z.B. bei einem Zeilenscan

Einsatzbereiche

eingesetzt wird, würde sich hier nachteilig auswirken.

„Laserschreiben“ finden sich u.a. auch in der Fertigung

Außerdem

erfasstSensorik

dasdreidimensionale

allegeregelten

mikro-optischer Bauelemente, photonischer Kristalle undDurch

dieseMetamaterialien ebenso wie beim Rapid-Prototyping vonParallelmetrologie lassen sich Achsübersprechen undMikro- und Nanostrukturen, beispielsweise fluidischer

Führungsfehler aktiv verhindern. Bahngenauigkeit undKanäle.

Freiheitsgrade

diefürgleichzeitig.

Reproduzierbarkeit profitieren davon.

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AutorenÜber 700 hochqualifizierte Mitarbeiter rund um die Welt

Dipl.-Phys. Steffen Arnold, Leiter „Markt und Produkte“versetzen die PI Gruppe in die Lage, fast jede
Anforderung aus dem Bereich innovativer Präzisions-bei Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG

Positioniertechnik zu erfüllen. Alle Schlüsseltechnologien
Martin Hermatschweiler, Geschäftsführer der Nanoscribe

werden im eigenen Haus entwickelt. Dadurch kann jede

GmbHPhase vom Design bis hin zur Auslieferung kontrolliert

Ellen-Christine Reiff, M.A., Redaktionsbüro Stutensee

werden: die Präzisionsmechanik und Elektronik ebenso
wie die Positionssensorik.

Über Nanoscribe GmbHDieDie Nanoscribe GmbH ging Anfang 2008 als erste

werden bei der Tochterfirma PI Ceramic in Lederhose

Ausgründung des Karlsruher Instituts für Technologie

gefertigt, einem der weltweit führenden Unternehmen auf(KIT) mit dem 3D Laserlithografiesystem Photonic

dem Gebiet aktorischer und sensorischer Piezoprodukte.

dafürbenötigten

piezokeramischen

Elemente

Professional an den Start.
Die PI miCos GmbH in Eschbach bei Freiburg ist
Innerhalb von nur fünf Jahren hat sie sich als Markt- undspezialisiert

Technologieführer im Bereich der 3D Laserlithografie

Ultrahochvakuum-Anwendungenetabliert.

parallelkinematischeWeltweite

Forschungsinstitute

Geräteverkäufe
undanUniversitäten

führendeinAsien,auf

flexible

Positioniersysteme

Positioniersysteme

Freiheitsgraden und Sonderanfertigungen.

Nordamerika sowie in Europa belegen den Siegeszug
dieser innovativen Technologie.
Das Portfolio umfasst außerdem selbst entwickelte
Fotolacke,

die

auf

dieverschiedenen

Anwendungsbereiche der Gerätekunden zugeschnitten
sind. Beratungsleistungen in der Abformung komplexer,
dreidimensionaler Polymerstrukturen in Metalle oderHalbleiter sowie diverse Serviceleistungen runden dasAngebot ab.

Über Physik Instrumente (PI)In den letzten vier Jahrzehnten hat sich PhysikInstrumente (PI) mit Stammsitz in Karlsruhe zum
führenden

Hersteller

Genauigkeiten

imvon

Positioniersystemen

Bereicheinzelner

mit

Nanometer

entwickelt. Das privat geführte Unternehmen ist mit vierSitzen

inVertriebs-Deutschland
undundzehn

Serviceniederlassungenausländischeninternationalvertreten.

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