Smartphone-3D-Drucker soll Bioprinting am Point of Care möglich machen

Forscher der University of Otago Christchurch und der Harvard Medical School haben einen Smartphone-basierten DLP-3D-Drucker entwickelt, um die Zugänglichkeit der dezentralen medizinischen Fertigung zu verbessern.

3D-Bioprinting wird in der Branche zunehmend als potenziell lukrative Geschäftsmöglichkeit gesehen, aber viele Maschinen selbst sind sehr groß. Während das für die Forschung kein Problem darstellt und auch die Skallierung für große Anwendung ermöglicht, kann es auch ein einschränkender Faktor sein. So benötigt man bei Point-of-Care-Umgebungen wie Krankenhäusern oder Arztpraxen zugänglichere Technik.

Den Wissenschaftlern zufolge ist der Mangel an zugänglicher 3D-Biodrucksoftware auch einer der Hauptgründe dafür, dass die Technologie noch nicht weit verbreitet ist. Angesichts der wachsenden Beliebtheit und Anpassungsfähigkeit von Desktop-3D-Druckern sehen sie daher einen “dringenden Bedarf” für ein tragbares, modulares und leicht zu programmierendes System.

Um diesen Bedarf zu decken, hat sich das Team die Rechenleistung und die Bildgebungsfähigkeiten moderner Smartphones zunutze gemacht, indem es eines als Schnittstelle für einen winzigen DLP-3D-Drucker verwendet hat. Ausgestattet mit einem Mini-Motor, einer Plattform, einer Wanne, einem optischen System und einem Projektor, misst der Prototyp der Forscher nur 10 cm x 20 cm x 20 cm, während die Wanne eine Fläche von 3,14 cm2 hat, was die Maschine klein, aber bei Bedarf auch skalierbar macht.

So können beispielsweise die Linsen des Systems ausgetauscht werden, um unterschiedliche Vergrößerungen und Lichtintensitäten zu erzielen, während die Wanne verstellbar ist, was dem System Flexibilität über mehrere Längenskalen verleiht. Theoretisch funktioniert der Drucker, indem er die von seinem Projektor erfassten Muster von einem optischen Spiegel auf eine konvexe Linse und in eine 73 mm entfernte Wanne ablenkt und die Materialien zu Formen polymerisiert.

Hierfür mussten die Wissenschaftler eine Schnittstelle für ihre Maschine schaffen. Sie entwickelten daher ein “automatisches Steuersystem” oder eine mobile App, die über Bluetooth Anweisungen an den Mikrocontroller des Druckers senden kann. Die daraus resultierende Software umfasst sogar Funktionen zum Slicen von Modellen und zur Anpassung von Mustern sowie anpassbare Druckparametereinstellungen.

Um die Leistungsfähigkeit der Mikromaschine zu beurteilen, testeten die Forscher den 3D-Drucker mit photozentrischen Harzes. Es stellte sich heraus, dass der Drucker gyroide Formen mit komplizierten inneren Strukturen herzustellen.

Verglichen mit der Genauigkeit des kommerziellen Moai-SLA-3D-Druckers von Peopoly erwiesen sich die von der Maschine des Teams hergestellten Modelle mit einer Auflösung von etwa 23 µm als deutlich weniger präzise. Die Wissenschaftler betonten jedoch, dass ihr System 34-mal schneller und viel billiger zu bauen ist. So hat das neue Gerät das Potenzial eine schnellere und kostengünstigere Alternative zu sein.

Nach den ersten Tests, testete das Team die Maschine die Biokompatibilität, indem es ein mit Zellen beladenes PEG in Nasen-, Ohren-, Nieren-, Herz- und Gehirnformen einbrachte. Es wurde auch direkt auf ein Stück Schweinemuskel gedruckt und auch eine von den Wissenschaftlern zu Versuchszwecken erzeugte “Verletzung” behandelt. Die Wissenschaftler zeigten sich mit den Ergebnissen zufrieden. Die Forscher bewerteten ihr System daher als “eine Grundlagentechnologie für künftiges In-vivo-Bioprinting”, die dank einer benutzerdefinierten App auch für Neulinge im medizinischen Bereich zugänglich ist.

Die komplette Arbeit der Forscher wurde in dem Paper “A Smartphone-Enabled Portable Digital Light Processing 3D Printer” veröffentlicht.