3D-Druck im Körper: Forscher entwicklen neues laserbasiertes 3D-Druckverfahren für Mikrostrukturen

Ein Schweizer Forscherteam hat mit Hilfe von Lichtwellenleitern mikroskopisch kleine Strukturen in einem laserbasierten 3D-Druckverfahren hergestellt. Dieser innovative Ansatz hat Potential für 3D-Bioprinting. Laut den Wissenschaftlern könnten mit einem Endoskop biokompatible Strukturen direkt im Körper hergestellt werden um beschädigtes Gewebe zu reparieren.

Laserbasierte Verfahren zum 3D-Druck von Mikrostrukturen basieren meist auf der Zwei-Photonen-Polymerisation. Dabei belichtet ein Laserstrahl ein photosensitives Material, um dieses im Fokus auszuhärten und so Schicht für Schicht Strukturen auf der Mikroskala herzustellen. Dieses Verfahren ist allerdings für biomedizinische Anwendungen nur sehr aufwändig umzusetzen, da komplexe und teure Laser eingesetzt werden, die sehr kurze Impulse abgeben. Zudem bedarf es großer optischer Systeme, die das Licht verarbeiten.

Daher hat das Team auf Lichtwellenleiter zurückgegriffen, die in Kombination mit günstigeren, schwächeren Lasern in einem kompakten System Mikrostrukturen in Photopolymer herstellen können. Um Stellen selektiv aushärten zu können, hat man sich die Tatsache zu Nutzen gemacht, dass das Aushärten nur über einem bestimmten Schwellenwert von Lichtintensität stattfindet. In einer detaillierten Studie wurde die besten Parameter dafür eruiert.

“Unsere Gruppe verfügt über Know-How in der Manipulation und Formgebung von Licht durch optische Fasern, was uns auf die Idee gebracht hat, Mikrostrukturen mit einem kompakten System zu drucken. Um dieses System kostengünstiger zu gestalten, haben wir die Vorteile einen Photopolymers mit nonlinearer Dosisempfindlichkeit genutzt. Dies funktioniert mit einem einfachen Dauerstrichlaser, wodurch teuere gepulste Laser nicht notwendig waren,” erklärt Paul Delrot von der École Polytechnique Fédérale de Lausanne.

Als Druckmaterial verwendeten die Forscher einen organischen Polymer-Vorläufer versehen mit einem Fotoinitiator. Der verwendete Dauerstrichlaser arbeitet mit einer Wellenlänge von 488 nm, die auch für Zellen sicher ist. Das Laserlicht wurde durch einen Lichtwellenleiter mit Hilfe der Wellenfrontformung so fokussiert, dass ein einziges Voxel im Photopolymer ausgehärtet werden kann.

“Im Vergleich zu neusten Systemen die mit dem Verfahren der Zwei-Photonen-Polymerisation arbeiten hat unser System eine geringere Druckauflösung. Jedoch ist diese potentiell hoch genug um zelluläre Wechselwirkungen zu untersuchen und man benötigt kein sperriges optisches System oder teure pulsierte Laser,” fügt Delrot hinzu.

Ohne diese komplexen optischen Komponenten hat das Verfahren das Potential mit derzeitigen endoskopischen Systemen eingesetzt zu werden. Bis es soweit ist arbeiten die Wissenschaftler noch an biokompatiblen Photopolymeren und einem kompakten Zuführungssystem. Zudem ist eine schnellere Scan-Geschwindigkeit notwendig sowie ein Nachbearbeitungsprozess für die im Körper gedruckten Mikrostrukturen.

Die Studie “Single-photon three-dimensional microfabrication through a multimode optical fiber” wurde im Fachjournal Optics Express veröffentlicht.