Biomimetische Strukturierung durch Laserinterferenz

Strukturierung von Zahnimplantaten
© Fraunhofer IWS Dresden
Strukturierung von Zahnimplantaten
Zellwachstumstest
© Fraunhofer IWS Dresden
Zellwachstumstest
(1) Diatomee C. Walesii, (2) Imitierte hierarchische Struktur der Diatomee C. Walesii, (3) S. epidermidis Initialhaftung auf unterschiedlich strukturierten Photolackoberflächen
(1) Diatomee C. Walesii, (2) Imitierte hierarchische Struktur der Diatomee C. Walesii, (3) S. epidermidis Initialhaftung auf unterschiedlich strukturierten Photolackoberflächen

Ein Forschungsschwerpunkt in der Arbeitsgruppe Oberflächenfunktionalisierung am Fraunhofer IWS Dresden widmet sich der Biomimetik, wobei Strukturen und Funktionen lebender Organismen imitiert werden.  

Natürliche Oberflächen bestehen meist aus komplexen ein- oder zweidimensionalen Strukturen, die zudem oft hierarchisch angeordnet sind. Bisher verfolgte technologische Ansätze für die Designentwicklung und Synthese dieser Oberflächen sind zeitaufwendig oder kostenintensiv. Das Fraunhofer IWS Dresden bietet mit der Direkten Laserinterferenzlithographie (LIL) eine flexible und leistungsfähige Technologie, topographische Elemente und/oder Funktionen der natürlichen Vorbilder zu kopieren.

In diesem Zusammenhang wurde bereits die Oberfläche der Kieselalge C. Walessi reproduziert. Bei der künstlichen Synthese dieser Struktur wurde zunächst in einer dünnen Photolackschicht auf Silizium das hexagonale Submikrometermuster (Periode: 500 nm) durch zweimaliges Belichten mittels Zweistrahlinterferenz erzeugt. Zwischen beiden Belichtungsschritten erfolgte die Rotation des Substrates um 60°. Anschließend wurde eine zweite Fotolackschicht auf den schon strukturierten und entwickelten Film aufgebracht und mit einem linienartigen Interferenzmuster (Periode: 5 μm) bestrahlt. Die so generierte Struktur besitzt einen hohen Grad an geometrischer Gleichförmigkeit.

Des Weiteren wurde, angelehnt an die anti-bakteriellen Eigenschaften der ebenfalls lochartigen Collembolenhaut, die Bakterieninitialhaftung auf unterschiedlichen 1 bis 2,5 dimensionalen Mikro- bzw. Submikrometerstrukturen in Photolack untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass sich auf einer Topographie bestehend aus hexagonal angeordneten Löchern mit periodischem Abstand von 500 nm die Anzahl der Bakterien S. epidermidis um fast 50 % (verglichen mit der nicht-strukturierten Referenz) reduzierte. Diese Arbeiten wurden in Kooperation mit dem Leibniz IPF durchgeführt.

Beide Bespiele verdeutlichen das Potential der LIL als Technologie zur Herstellung bio-inspirierter Oberflächen.