Neue Cellulose-basierte 3D-Druck Tinte für biomedizinische Anwendungen

Forscher der Schweizer Laboratorien für Materialwissenschaft und Technologie (Empa) haben eine umweltfreundliche CNC Tinte für den 3D-Druck entwickelt, die aus Zellstoff-Nanokristallen besteht. Mit dem Material können biomedizinische Geräte hergestellt werden.

In herkömmlichen 3D-Druckfarben kommen Cellulose Nanokristalle vor, allerdings in sehr geringer Menge (maximal 2,5 Prozent), denn die Konsistenz der CNC- Tinte erschwert das Extrudieren der Farbe auf dem EnvisionTEC 3D Bioplotter. Ziel der Empa-Forscher ist es, eine hoch konzentrierte Tinte herzustellen, mit einem CNC Gehalt von rund 20 Prozent.

“Die größte Herausforderung bestand darin, eine viskose elastische Konsistenz zu erreichen, die auch durch die 3D-Druckdüsen gequetscht werden könnte”, sagte Siqueira, einer der leitenden Forscher des Projekts.

Um die kristallinen Teile aus der Cellulose zu erhalten, mussten die Forscher Bereiche finden, in denen die Cellulosefibrillen (kleine, schlanke Fasern) eine geordnete Struktur aufweisen. Danach fand eine Säurereinigung statt, wodurch Cellulose-Nanokristalle entstanden, winzige stabförmige Strukturen, die 120 Nanometer lang sind und einen Durchmesser von 6,5 Nanometern besitzen.

“Die Orte mit höherem Ordnungsgrad erscheinen in einer kristallinen Form”, erklärte Siqueira, “und es sind diese Abschnitte, die wir mit Säure reinigen können, die wir für unsere Forschung benötigen.”

Die Forscher setzten das CNC in eine Polymer-basierte Mischung. Nachdem das Material gedruckt und mit UV-Strahlung gehärtet wurde, vernetzte sich das CNC mit dem Polymer, und richtete sich in die Richtung aus, in die es gedruckt wurde. Daraus entstand ein Material mit ausgezeichneter mechanischer Festigkeit.

“Es ist ziemlich interessant, dass man so leicht die Richtung der Nanokristalle kontrollieren kann”, sagte Siqueira. “Zum Beispiel, wenn du etwas drucken möchtest, das eine bestimmte mechanische Starrheit in einer bestimmten Richtung haben soll.”

Es gibt mehrere Vorteile für die Verwendung der neuen CNC 3D-Drucktinte für biomedizinische Geräte und andere Objekte. Zum einen ist Cellulose ein erneuerbares und reichlich vorhandenes Material, zweitens ist sie biologisch kompatibel mit dem menschlichen Körper.

“Die Forschung auf diesem Gebiet ist erst am Anfang”, sagte Siqueira. “Der Druck mit Biopolymeren ist derzeit ein sehr heißes Thema.”

Das Forschungspaper wurde in Advanced Functional Materials veröffentlicht.