Nachhaltiger 3D-Laserdruck: Biotinten aus Mikroalgen
Viele Mikroalgen eignen sich gut als Basis für den 3D-Laserdruck, da sie reich an Fetten und photoaktiven Farbstoffen sind.
(Bild: Pixabay)
Mikroalgen wie die Kieselalge Odontella aurita und die Grünalge Tetraselmis striata eignen sich besonders gut als "Biofabriken" für nachhaltige Materialien im 3D-Laserdruck, da sie reich an Fetten und photoaktiven Farbstoffen sind. Ein internationales Forschungsteam unter Federführung der Universität Heidelberg hat erstmals Rohstoffe aus diesen Mikroalgen genutzt, um Tinten für spezielle Anwendungsfälle im 3D-Druck zu entwickeln.
Dem Team unter der Leitung von Prof. Dr. Eva Blasco vom Institute for Molecular Systems Engineering and Advanced Materials (IMSEAM) der Universität Heidelberg ist es nach eigenen Angaben gelungen, Spezialtinten aus Mikroalgen-Rohstoffen zu entwickelt. Diese eignen sich nach Meinung der Wissenschaftler hervorragend für den Druck komplexer biokompatibler 3D-Mikrostrukturen. Diese mikroalgenbasierten Materialien könnten künftig auch als Basis für Implantate oder Gerüste in der 3D-Zellkultur dienen.
Herstellungsvorteile für Mikro- und Nanostrukturen
Der 3D-Laserdruck mit Zwei-Photonen-Polymerisation bietet in der additiven Fertigung besondere Vorteile für die Herstellung von Mikro- und Nanostrukturen. Dank seiner hohen Auflösung findet er Anwendung in Bereichen wie Optik, Photonik, Mikrofluidik und Biomedizin. Ein fokussierter Laserstrahl richtet sich dabei auf einen flüssigen, photoreaktiven Lack, die "Tinte". Dabei erwiesen sich die in den Mikroalgen vorhandenen photoaktiven grünen Farbstoffe als hervorragende Photoinitiatoren. Sie setzen unter dem Einfluss des Laserstrahls die chemische Reaktion in Gang, durch die sich die Tinte zu einer dreidimensionalen Struktur verfestigt.
Bisher werden für diesen präzisen 3D-Laserdruck hauptsächlich Polymere auf petrochemischer Basis verwendet, die jedoch auf fossilen Brennstoffen basieren, Treibhausgase freisetzen und potenziell toxische Bestandteile enthalten können. Im Gegensatz dazu bieten Mikroalgen eine nachhaltige Alternative, da sie schnell wachsen, Kohlendioxid binden und biokompatibel sind. "Damit vermeiden wir den Einsatz von potentiell toxischen Zusatzstoffen wie Photoinitiatoren, die in herkömmlichen Tinten verwendet werden. Trotz ihrer Vorteile sind Mikroalgen als Rohstoffe für den lichtbasierten 3D-Druck bislang kaum in Betracht gezogen worden“, erläutert Blasco. Ihre Forschungsgruppe an der Universität Heidelberg arbeitet an der Schnittstelle von makromolekularer Chemie, Materialwissenschaften und 3D-Nanofabrikation, um diese Potenziale zu erschließen.
Mit dem neuen Tintensystem gelang es den Wissenschaftlern, präzise 3D-Mikrostrukturen mit komplexen Merkmalen wie überhängenden Dächern und Hohlräumen zu erzeugen. Sie prüften die Biokompatibilität der mikroalgenbasierten Tinten durch Experimente mit Zellkulturen, bei denen dreidimensionale Mikrogerüste erstellt wurden, auf denen die Zellen für etwa 24 Stunden kultiviert wurden. Die Überlebensrate der Kulturen lag dabei nahezu bei 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“, erklärte Blasco.
Die Forschungsarbeiten waren Teil des Exzellenzclusters "3D Matter Made to Order", einer Kooperation zwischen der Universität Heidelberg und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Eingebunden waren neben den Heidelberger Wissenschaftlern auch Forscher und Forscherinnen des KIT sowie der Banco Español de Algas an der Universidad de Las Palmas de Gran Canaria (ULPGC, Spanien). Gefördert wurde das Projekt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft, der Carl-Zeiss-Stiftung, dem Fonds der Chemischen Industrie und der Europäischen Union im Rahmen des European Territorial Cooperation Program. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.
(usz)