3D-Laserdruck mit Biotinten aus Mikroalgen
Heidelberger Wissenschaftlerinnen entwickeln erfolgreich neue Generation von biokompatiblen Materialien für die additive Fertigung
Als „Biofabriken“ zur Gewinnung von nachhaltigen Materialien für den 3D-Laserdruck eignen sich aufgrund ihres hohen Anteils an Fetten und photoaktiven Farbstoffen insbesondere Mikroalgen wie die Kieselalge Odontella aurita und die Grünalge Tetraselmis striata. Einem internationalen Forschungsteam unter Leitung von Prof. Dr. Eva Blasco, Wissenschaftlerin am Institute for Molecular Systems Engineering and Advanced Materials (IMSEAM) der Universität Heidelberg, ist es erstmals gelungen, mit den aus den Mikroalgen gewonnenen Rohstoffen Tinten für den Druck von komplexen biokompatiblen 3D-Mikrostrukturen zu fertigen. Die mikroalgenbasierten Materialien könnten dabei künftig auch als Grundlage für Implantate oder Gerüste für die 3D-Zellkultur dienen.
Unter den Verfahren der additiven Fertigung bietet der 3D-Laserdruck mit Zwei-Photonen-Polymerisation besondere Vorteile für die Herstellung von Strukturen im Mikro- und Nanobereich. Aufgrund der hohen Auflösung kommt er unter anderem in der Optik und Photonik, der Mikrofluidik oder der Biomedizin zum Einsatz. Dabei wird ein fokussierter Laserstrahl auf einen flüssigen, photoreaktiven Lack, eine sogenannte „Tinte“, gerichtet. Im Fokus aktiviert das Laserlicht spezielle, als Photoinitiatoren bekannte Moleküle und löst eine chemische Reaktion aus, die zu einer lokalen Verfestigung der Tinte führt.
Als Tinten für dieses höchst präzise Verfahren des 3D-Laserdrucks werden bislang hauptsächlich Polymere auf petrochemischer Basis verwendet. Sie tragen jedoch zur Erschöpfung der fossilen Brennstoffe sowie zur Emission von Treibhausgasen bei und können darüber hinaus toxische Bestandteile enthalten, wie Prof. Blasco hervorhebt. Mikroalgen eignen sich besonders gut als „Biofabriken“ für die Gewinnung von nachhaltigen Materialien für das dreidimensionale Drucken, weil sie schnell wachsen, im Zuge der Kultivierung sogar Kohlendioxid binden und darüber hinaus biokompatibel sind. „Trotz ihrer Vorteile sind Mikroalgen als Rohstoffe für den lichtbasierten 3D-Druck kaum in Betracht gezogen worden“, so die Wissenschaftlerin, die mit ihrer Gruppe an der Schnittstelle von makromolekularer Chemie, Materialwissenschaften und 3D-Nanofabrikation forscht.
Dem Forschungsteam gelang es nun erstmals, aus Mikroalgen biokompatible Materialien für den hochauflösenden 3D-Laserdruck zu gewinnen. Dazu wählten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit der Kieselalge Odontella aurita und der Grünalge Tetraselmis striata zwei Arten aus, die besonders viele Fette in Form von Triglyzeriden enthalten. Die Wissenschaftler extrahierten die Triglyzeride und funktionalisierten sie mit Acrylaten, um eine schnelle Aushärtung bei Lichteinstrahlung zu ermöglichen. Dabei erwiesen sich die in den Mikroalgen vorhandenen photoaktiven grünen Farbstoffe als geeignete Photoinitiatoren. Sie starten unter Einfall von Licht die chemische Reaktion, durch die sich die Tinte zu einer dreidimensionalen Struktur verfestigt. „Damit vermeiden wir den Einsatz von potentiell toxischen Zusatzstoffen wie Photoinitiatoren, die in herkömmlichen Tinten verwendet werden“, erklärt Erstautorin Clara Vazquez-Martel, Doktorandin in der Forschungsgruppe von Eva Blasco am IMSEAM.
Mit dem neuen Tintensystem konnten die Wissenschaftler verschiedene 3D-Mikrostrukturen mit hoher Präzision und komplexen Merkmalen wie überhängenden Dächern oder Hohlräumen herstellen. Anhand von Versuchen mit Zellkulturen untersuchten die Forscherinnen und Forscher auch die Biokompatibilität der mikroalgenbasierten Tinten. Dazu fertigten sie dreidimensionale Mikrogerüste, auf denen die Zellen für etwa 24 Stunden kultiviert wurden. Ihren Beobachtungen zufolge lag die Überlebensrate bei nahezu 100 Prozent. „Unsere Ergebnisse eröffnen nicht nur neue Möglichkeiten für einen nachhaltigeren 3D-Druck mit Licht, sondern auch für lebenswissenschaftliche Anwendungen – von dreidimensionalen Zellkulturen bis hin zu biokompatiblen Implantaten“, sagt Prof. Blasco.
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