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Wissenschaftler der Rutgers University in den USA haben mittels 3D-Druck und eines Hydrogels Objekte hergestellt, die sich über Zeit und je nach Temperatur ihre Form verändern. Mit diesem 4D-Druck-Prozess ließen sich zukünftig lebende Strukturen für menschliche Organe und Gewebe, Soft-Roboter und Methoden zur Medikamentenverabreichung entwickeln.
Die Studie “Micro 3D Printing of a Temperature-Responsive Hydrogel Using Projection Micro-Stereolithography”, veröffentlicht im Fachjournal Scientific Report, beschreibt die Herstellungen von soliden Strukturen aus Hydrogel mittels Stereolithographie-Verfahren. Diese 3D-gedruckten Strukturen verändern ihre Form mit der Zeit, je nach Umgebungstemperatur.
3D-Druck mit Hydrogel
Hydrogel besteht zwar zu einem Großteil aus Wasser, ist aber ein wasserunlösliches Polymer, dessen Moleküle zu einem Netzwerk verknüpft sind. Durch seine Biokompatibilität sowie gewebeähnlichen mechanischen Eigenschaften hat dieses Material an Bedeutung in der Biomedizin gewonnen, speziell auch im 3D-Bioprinting.
Das vom Forscherteam entwickelte “smart gel” behält seine strukturelle Festigkeit auch in Organen wie der Lunge und kann kleine Moleküle, beispielsweise Wasser oder Medikamente enthalten, die so in den Körper transportiert und dort freigesetzt werden. Zudem sieht man großes Potential im Bereich der Soft-Robotik sowie neuen Anwendungen für flexible Sensoren, biomedizinische Instrumente oder als Trägermaterial für Zellen.
“Das volle Potential dieses smart Hydrogels wurde noch nicht zur Gänze frei gesetzt,” sagt Howon Lee, Author der Studie und Assistant Professor an der Rutgers University. “Wir haben dem Material eine zusätzliche Dimension hinzugefügt und es ist das erste Mal, dass dies auf dieser Skala passiert. Sie sind flexible, formverändernde Materialien, die ich “smart materials” (intelligente Materialien) nenne.”
Mikro-Stereolithographie
Für das Mikro-Stereolithographie-Verfahren, das in der Studie eingesetzt wurde, haben die Forscher das Hydrogel mit einem Bindemittel und einem weiteren Material gemischt, welches das Aushärten beim Auftreffen von Licht ermöglicht. Die Größe der gedruckten Objekte reicht von der Breite eines menschlichen Haares bis hin zu einigen Millimetern Länge.
Die Größe kann im Nachhinein über die Temperatur gesteuert werden. Unter 32°C absorbiert das Hydrogel mehr Wasser und legt an Größe zu; bei Temperaturen über 32°C wird Wasser abgegeben und das Objekt schrumpft. Dem Team ist es auch gelungen nur einen bestimmten Bereich eines Objektes anschwellen zu lassen und durch Temperaturänderungen dieses kontrolliert zu bewegen.
“Wenn man die komplette Kontrolle über die Form hat, kann man dessen Funktion programmieren,” fügt Lee hinzu. “Meiner Meinung nach liegt darin das eigentliche Potential des 3D-Drucks von formverändernden Materialien. Dieses Prinzip findest fast überall Anwendung.”
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