Ein chinesisches Forschungsteam hat im Bereich der Mikro-Nano-Manipulation neue Fortschritte erzielt. Ein Kooperationsteam der Anhui-Universität und der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas hat erfolgreich eine dreidimensionale Faser-Mikropinzette entwickelt, die in das Ende einer Glasfaser integriert ist. Diese ermöglicht eine hochpräzise, schädigungsarme und programmierbare dreidimensionale Manipulation von Objekten im Mikrometerbereich. Die entsprechenden Ergebnisse wurden in der internationalen Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Die Studie adressiert langjährige Engpässe bestehender Mikromanipulationstechnologien. Herkömmliche optische Pinzetten bieten Vorteile wie Berührungslosigkeit und hohe Präzision, weisen jedoch eine geringe Ausgangskraft auf und stellen hohe Anforderungen an die Transparenz des Ziels und die Betriebsumgebung. Mechanische, pneumatische oder hydraulische Mikrogreifer können zwar größere Kräfte bereitstellen, sind jedoch aufgrund ihrer Systemgröße und komplexen externen Antriebsstrukturen schwer in enge Räume wie Mikro-Blutgefäße oder Gallengänge im Bereich von hundert Mikrometern einzuführen.

Das Forschungsteam schlug eine auf Femtosekundenlaser basierende hybride Fertigungsmethode für faserintegrierte Bauelemente vor und konstruierte eine dreidimensionale Faser-Mikropinzette am Ende einer kommerziellen Glasfaser. Dieses Bauelement integriert Lichtübertragung, photothermische Umwandlung, Reaktion weicher Materialien und mechanische Ausgabe starrer Mikrostrukturen am Ende einer einzelnen Faser. Dadurch wird die Faser nicht mehr nur zu einem Kanal für die Übertragung von Lichtsignalen und -energie, sondern auch zu einer integrierten Plattform für die Durchführung mechanischer Operationen im Mikromaßstab.

Die Funktionslogik der 3D-Faser-Mikropinzette ähnelt einer „mikroskopischen, geschickten Hand" im Zellmaßstab. Nachdem eine externe Lichtquelle durch die Faser zur Mikrostruktur am Ende übertragen wird, löst sie eine Materialreaktion und eine Verformung der Mikrostruktur aus, die dann in kontrollierte Öffnungs- und Schließbewegungen sowie mechanische Ausgabe umgewandelt wird. Durch die Regulierung der optischen Eingangsleistung können die Forscher den Öffnungs- und Schließzustand der Pinzette sowie die Größe der ausgeübten Kraft kontinuierlich steuern und so eine präzise Mikromanipulation „mit Lichtkraft" erreichen.

Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Ausgangskraft der neuartigen Mikropinzette mehr als das Zehntausendfache der einer herkömmlichen optischen Pinzette beträgt. Sie kann nicht nur Objekte im Mikrometerbereich präzise manipulieren, sondern auch komplexe Mikrostrukturmontagen und Mikroprobenentnahmen in engen Räumen von hundert Mikrometern durchführen. Die entsprechende Veröffentlichung demonstriert zudem potenzielle Anwendungen des Bauelements in der dreidimensionalen Feinmanipulation einzelner Zellen, der Montage mikromechanischer Strukturen und der biomimetischen Probenentnahme in beengten Umgebungen.

Die Mikro-Nano-Bearbeitung mit Femtosekundenlasern ist eine wichtige Grundlage für diesen Erfolg. Diese Technologie ermöglicht die Bearbeitung komplexer dreidimensionaler Strukturen im Mikrometer- oder sogar Nanometerbereich und kann in Kombination mit einem Multimaterial-Design Mikrosysteme mit Antriebs-, Reaktions- und mechanischen Ausgabefähigkeiten bilden. Für den extrem kleinen Raum am Faserende ist die hochpräzise Bearbeitungsfähigkeit direkt entscheidend dafür, ob das Bauelement ein stabiles Öffnen und Schließen, kontrolliertes Greifen und wiederholte Operationen erreichen kann.

Dieses Ergebnis bietet neue technologische Wege für Bereiche wie Lebenswissenschaften, minimalinvasive Medizin, Zellmanipulation und fortschrittliche Fertigung. In Zukunft, wenn die 3D-Faser-Mikropinzette weiterhin durch Tests zur Biokompatibilität, Stabilität, Serienfertigung und klinischen Szenarien validiert wird, könnte sie in Bereichen wie der Einzelzellmanipulation, Mikroprobenentnahme, minimalinvasiven endoskopischen Werkzeugen und der Montage komplexer Mikrostrukturen eingesetzt werden.

Die Schwerpunkte der Folgeforschung werden auf der Zuverlässigkeit des Bauelements, der Betriebssicherheit, der Anpassungsfähigkeit an verschiedene biologische Proben und dem Grad der Systemintegration liegen. Die 3D-Faser-Mikropinzette muss für den tatsächlichen medizinischen oder industriellen Einsatz noch weiter validiert werden, aber ihre hohe Ausgangskraft, Miniaturisierung und Faserintegration bei der präzisen Manipulation im Mikrometerbereich haben bereits eine neue Designrichtung für Mikro-Nano-Manipulationswerkzeuge aufgezeigt.