Winzige Maschinen im Körper

Mikrosysteme sind - wie der Name schon sagt - vor allem eines: klein. Es sind einige Mikrometer messende Sensoren und sogenannte Aktoren, also Maschinen, die elektrische Signale in Druck, mechanische Spannung oder Bewegung umwandeln. Um sie herzustellen, nutzt man Technologie aus der Halbleiterindustrie. Darum bestehen sie zumeist auch aus dem Material, das diese Industrie dominiert: Silizium. Es hat viele positive Eigenschaften: Es leitet Strom und lässt sich präzise formen. Doch Leeya Engel, die an der Universität von Tel Aviv an Mikrosystemen forscht, kennt auch die Nachteile von Silizium. Die kommen zum Tragen, wenn man es - etwa für medizinische Zwecke - in den menschlichen Körper einschleusen will.

"Silizium ist sehr hart. Es ist ein steifes Material. So wie Glas, kann es zerbrechen und splittern. Wenn man es in menschliches oder tierisches Gewebe einbauen würde, würde es dort Schaden anrichten. Und für Siliziumstaub gilt das gleiche wie für viele andere Nanopartikel: Es ist schlecht, wenn man ihn einatmet."

Also hat sich Leeya Engel mit ihrer Kollegin Jenny Shklovsky daran gemacht, Mikrosysteme aus anderen Materialen herzustellen. Ihre Wahl fiel dabei auf ein spezielles Polymer mit dem kryptischen Namen P(VDF-TrFE-CFE). Es hat gute elektrische Eigenschaften und verformt sich, wenn man eine Spannung anlegt, was es attraktiv für den Bau Aktoren macht. Doch vor allem ist es flexibel:

"Einerseits ist es ein Polymer, also ein weiches Material. Aber es ist nicht so weich, dass man daraus keine Geräte herstellen könnte. Es ist etwa tausend Mal weniger steif als Glas. Man kann es sich wie dieses Cellophan vorstellen, in das auch Geschenke eingepackt werden. Eine Folie also, die ein bisschen steifer als Frischhaltefolie ist."

Gerade in der Medizin gibt es viele Anwendungen für Mikrosysteme aus diesem Polymer: Gut sitzende, intelligente Prothesen, künstliche Muskeln, oder auch Maschinen, die Medizin punktgenau im Körper abliefern - etwa an einem Ort mit einem bestimmten pH-Wert. Den könnten die Mikrosysteme nämlich messen. Doch diese Maschinen muss man irgendwie herstellen. Und passende Fertigungsverfahren für das Polymer gab es bisher nicht. Bestenfalls konnte man eine dünne Membran formen, indem man es verflüssigte und auf eine rotierende Scheibe tropfte.

"Aber das ist nicht wirklich Produktion im Mikrometerbereich. Auch wenn die Membran wenige Mikrometer dünn ist: Es ist kaum möglich, auf diese Art irgendwelche Geräte herzustellen. Und sie massenweise zu produzieren, gestaltet sich so erst recht schwer. Also ist es wichtig eine Technologie zu entwickeln, die der Herstellung von Bauteilen aus Silizium ähnelt."

Das haben Leeya Engel und Jenny Shklovsky nun getan. Dazu bearbeiten sie ihr Polymer zum ersten Mal mit einem bekannten Druckverfahren: der Nanoprägelithografie. Sie drücken einen Stempel auf das Polymer, während sie es erhitzen. So können sie haarfeine Strukturen einprägen - die Grundlage, um irgendwann winzige Geräte herzustellen. Doch so simpel, wie sie klingt, ist die Technologie nicht. Ein Problem ist beispielsweise, dass die Polymerstrukturen zerreißen können, wenn man sie von dem Stempel trennt. Dem wirkten die Forscherinnen mit einer speziellen Beschichtung entgegen.

"Woran wir jetzt arbeiten, ist, komplette Geräte von wenigen Mikrometer oder sogar Nanometern Größe zu drucken. Die werden sich bewegen, sobald wir eine Spannung anlegen. Wir müssen noch die letzten Schwierigkeiten aus dem Weg räumen und den Prozess zu perfektionieren, damit wir das schaffen. Das ist unser endgültiges Ziel."

Leeya Engel glaubt, dass sie dieses Ziel in etwa einem Jahr erreichen kann. Der nächste Schritt wäre dann, diese Methoden aus dem Labor in die Industrie zu übertragen. Dann könnte man Mikrosysteme aus dem Polymer irgendwann massenweise herstellen - so wie jetzt schon aus Silizium.