Nanocellulose als zukunftsträchtiges biobasiertes Material im 3D-Druck

Wissenschaftler der Chalmers Universität in Gothenburg und des VTT Technical Research Centre in Finnland haben den Einsatz von Cellulose Nanofibrillen als 3D-Druckmaterial erforscht. Mit dem biologisch abbaubaren Material lassen sich Objekte mit verschiedenen mechanischen Eigenschaften herstellen.

Cellulose Nanofibrillen – auch Nanocellulose genannt – sind die kleinsten Fasern in die sich Cellulose zerlegen lässt. Cellulose ist der Hauptbestandteil von pflanzlichen Zellwänden und damit die häufigste organische Verbindung. Das Material wird aus Holz oder als Nebenprodukt bei der Herstellung von Agrarerzeugnissen und Lebensmitteln gewonnen. Mischt man die Nanocellulose mit Wasser entsteht eine pastöse, viskose Mischung, die sich leicht am 3D-Drucker verarbeiten lässt. Diese Mischung kann aus bis zu 50% Wasser bestehen.

Nach dem Trocknen entstehen mechanische feste und biologisch abbaubare Strukturen, deren Eigenschaften, wie beispielsweise Festigkeit, Flexibilität und Feuchtigkeitstoleranz, sich durch die Manipulation der Vernetzung zwischen den Fibrillen variieren lassen. Speziell bei flexibleren Strukturen ist der Trocknungsprozess nach dem Druck kritisch, wie Paul Gatenholm von der Chalmers Universität erklärt:

“Wir haben ein Verfahren entwickelt, bei dem wir die Objekte einfrieren und das Wasser mit verschiedenen Mitteln entfernen, um so die Form der getrockneten Struktur kontrollieren zu können. Es ist also möglich die Strukturen in eine Richtung einfallen zu lassen und so ganz dünne Schichten zu erzielen.”

Gatenholm war auch des Forscherteams, dem es 2015 erstmals gelungen ist Objekte aus reiner Zellulose zu drucken.

Ein Team vom technischen Forschungsinstitut VTT in Finnland hat ein 3D-Drucktechnologie für Cellulose Nanofibrillen entwickelt mit der sich Textilien oder Innendekorationselemente herstellen. Zudem wird an einem Wundverband gearbeitet bei dem ein Protein an einen 3D-gedruckten haftenden Verband aus Nanocellulose angebracht wird. Dieses Protein soll das Wachstum neuer Hautzellen rund um die Wunde fördern. Ziel ist es den verheilten Bereich der Wunde flexibel zu halten anstatt steifes Narbengeweben entstehen zu lassen. Das Verfahren könnte auch Anwendung in der Kosmetikindustrie sowie zur Herstellung von künstlichem Knochen finden.

“Durch den Einsatz von Nanocellulose haben wir erfolgreich 3D-Strukturen hergestellt die Flüssigkeit drei Mal so effektiv wie herkömmliche Wundverbände absorbieren,” erklärt Panu Lahtinen, Wissenschaftler am VTT.

Eine weitere Entwicklung sind elektrisch leitfähige Strukturen, die aus Cellulose Nanofibrillen am 3D-Drucker hergestellt werden. Das schwedische Forscherteam verwendete als leitfähiges Material Kohlenstoff-Nanoröhrchen in Kombination mit nicht leitfähiger Cellulose. Diesen Ansatz hat auch ein Team der University of Maryland in den USA untersucht. Potentielle Anwendungsmöglichkeiten reichen von in Verpackung integrierten Sensoren bin hin zu Textilien, die Körperwärme in Elektrizität umwandeln. Die am VTT hergestellten Wundverbände aus Nanocellulose und Proteinen werden beispielsweise derzeit so weiterentwickelt, dass eingebettete Elektronik den Heilungsprozess misst. Messdaten wie Temperatur oder Bioimpedanz können kabellos direkt von der Wunden auf einen Computer übertragen werden. Bevor ein solcher Verband aber tatsächlich zum Einsatz kommt könnten noch Jahre vergehen, da Cellulose Nanofibrillen bislang noch nicht für medizinische Anwendungen zugelassen wurden.

“Die Kombination von Cellulose mit dem rasanten technologischen Fortschritt im 3D-Druck bietet bedeutende ökologische Vorteile,” fügt Gatenholm hinzu. “Cellulose ist ein unbegrenzt erneuerbarer Rohstoff und komplett biologisch abbaubar.”