3D-Druck mit bakterienhaltiger Tinte erzeugt knochenähnliche Verbundwerkstoffe

EPFL-Forscher haben eine Methode für den 3D-Druck einer Tinte veröffentlicht, die Calciumcarbonat produzierende Bakterien enthält. Der 3D-gedruckte mineralisierte Biokomposit ist beispiellos stark, leicht und umweltfreundlich und bietet eine Reihe von Anwendungen von der Kunst bis zur Biomedizin.

Die Natur hat eine außergewöhnliche Begabung für die Herstellung von Verbundwerkstoffen, die gleichzeitig leicht und stark, porös und fest sind – wie Muschelschalen oder Knochen. Die Herstellung solcher Materialien in einem Labor oder einer Fabrik – insbesondere unter Verwendung umweltfreundlicher Materialien und Verfahren – ist jedoch äußerst schwierig.

Die Forscher des Soft Materials Laboratory in der School of Engineering haben sich auf der Suche nach einer Lösung an die Natur gewandt. Sie haben eine 3D-druckbare Tinte entwickelt, die Sporosarcina pasteurii enthält: ein Bakterium, das, wenn es einer harnstoffhaltigen Lösung ausgesetzt wird, einen Mineralisierungsprozess auslöst, der Kalziumkarbonat (CaCO3) produziert.

“Der 3D-Druck gewinnt allgemein immer mehr an Bedeutung, aber die Anzahl der Materialien, die 3D-gedruckt werden können, ist aus dem einfachen Grund begrenzt, dass die Tinten bestimmte Fließbedingungen erfüllen müssen”, erklärt Laborleiterin Esther Amstad. “Zum Beispiel müssen sie sich im Ruhezustand wie ein Festkörper verhalten, aber dennoch durch eine 3D-Druckdüse extrudierbar sein – so ähnlich wie Ketchup.”

Amstad erklärt, dass 3D-Druckfarben, die kleine Mineralpartikel enthalten, bisher verwendet wurden, um einige dieser Fließkriterien zu erfüllen, dass aber die resultierenden Strukturen dazu neigen, weich zu sein oder beim Trocknen zu schrumpfen, was zu Rissen und zum Verlust der Kontrolle über die Form des Endprodukts führt.

“Also haben wir uns einen einfachen Trick einfallen lassen: Anstatt Mineralien zu drucken, haben wir mit unserer BactoInk ein Polymergerüst gedruckt, das dann in einem zweiten, separaten Schritt mineralisiert wird. Nach etwa vier Tagen führt der durch die Bakterien im Gerüst ausgelöste Mineralisierungsprozess zu einem Endprodukt mit einem Mineralgehalt von über 90 %.”

Das Ergebnis ist ein starker und widerstandsfähiger Bioverbundwerkstoff, der mit einem normalen 3D-Drucker und natürlichen Materialien hergestellt werden kann, ohne dass die für die Herstellung von Keramik häufig erforderlichen extremen Temperaturen erforderlich sind. Die Endprodukte enthalten keine lebenden Bakterien mehr, da sie am Ende des Mineralisierungsprozesses in Ethanol getaucht werden.

Die Methode, die die erste 3D-Druckfarbe beschreibt, die Bakterien zur Mineralisierung einsetzt, wurde kürzlich in der Zeitschrift Materials Today veröffentlicht.

Flicken von Kunst, Korallenriffen oder Knochen

Der Ansatz des Labors für weiche Materialien hat mehrere potenzielle Anwendungsmöglichkeiten in einem breiten Spektrum von Bereichen, von der Kunst über die Ökologie bis zur Biomedizin. Amstad ist der Ansicht, dass die Restaurierung von Kunstwerken durch BactoInk erheblich erleichtert werden könnte. Die Tinte kann auch direkt in eine Form oder an eine Zielstelle gespritzt werden – zum Beispiel in einen Riss in einer Vase oder einen Chip in einer Statue. Die mechanischen Eigenschaften der Tinte verleihen ihr die notwendige Festigkeit und Schrumpfungsbeständigkeit, um ein Kunstwerk zu reparieren und weitere Schäden während des Restaurierungsprozesses zu verhindern.

Die Verwendung ausschließlich umweltfreundlicher Materialien und die Fähigkeit, einen mineralisierten Biokomposit herzustellen, machen die Methode auch zu einem vielversprechenden Kandidaten für den Bau künstlicher Korallen, die zur Regeneration geschädigter Meeresriffe eingesetzt werden können. Schließlich könnte die Tatsache, dass die Struktur und die mechanischen Eigenschaften des Biokomposits denen von Knochen ähneln, es für künftige biomedizinische Anwendungen interessant machen.

“Die Vielseitigkeit des BactoInk-Verfahrens in Verbindung mit den geringen Umweltauswirkungen und den hervorragenden mechanischen Eigenschaften der mineralisierten Materialien eröffnet viele neue Möglichkeiten für die Herstellung leichter, tragfähiger Verbundwerkstoffe, die natürlichen Materialien ähnlicher sind als den heutigen synthetischen Verbundwerkstoffen”, fasst Amstad zusammen.

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