3D-Laserdruck mit Biotinten aus Mikroalgen

Als „Biofabriken“ zur Gewinnung von nachhaltigen Materialien für den 3D-Laserdruck eignen sich aufgrund ihres hohen Anteils an Fetten und photoaktiven Farbstoffen insbesondere Mikroalgen wie die Kieselalge Odontella aurita und die Grünalge Tetraselmis striata. Einem internationalen Forschungsteam unter Leitung von Forschenden der Universität Heidelberg ist es erstmals gelungen, mit den aus den Mikroalgen gewonnenen Rohstoffen Tinten für den Druck von komplexen biokompatiblen 3D-Mikrostrukturen zu fertigen.

Der 3D-Laserdruck, insbesondere das Verfahren der Zwei-Photonen-Polymerisation, ermöglicht die präzise Herstellung von Mikro- und Nanostrukturen. Dabei wird ein fokussierter Laserstrahl auf eine photoreaktive Tinte gerichtet, was zur lokalen Verfestigung des Materials führt. Bisher kamen hauptsächlich petrochemische Polymere als Tinten zum Einsatz, die jedoch umweltschädlich und potenziell toxisch sein können. Hier setzt die Forschung der Gruppe um Prof. Dr. Eva Blasco an, die an der Universität Heidelberg im Bereich makromolekulare Chemie und 3D-Nanofabrikation forscht.

„Trotz ihrer Vorteile sind Mikroalgen als Rohstoffe für den lichtbasierten 3D-Druck kaum in Betracht gezogen worden“, so die Wissenschaftlerin, die mit ihrer Gruppe an der Schnittstelle von makromolekularer Chemie, Materialwissenschaften und 3D-Nanofabrikation forscht. „Damit vermeiden wir den Einsatz von potentiell toxischen Zusatzstoffen wie Photoinitiatoren, die in herkömmlichen Tinten verwendet werden.”

Mikroalgen wie die Kieselalge Odontella aurita und die Grünalge Tetraselmis striata zeichnen sich durch ihren hohen Gehalt an Fetten und photoaktiven Farbstoffen aus, was sie zu idealen Kandidaten für nachhaltige Tintensysteme macht. Diese Algen wachsen schnell, binden Kohlendioxid und sind biokompatibel. Das Forschungsteam extrahierte die in den Algen enthaltenen Triglyzeride und modifizierte sie chemisch, um ihre Aushärtung unter Lichteinfluss zu beschleunigen. Die in den Algen vorhandenen Farbstoffe fungierten dabei als natürliche Photoinitiatoren, die die nötige Polymerisationsreaktion auslösen.

„Unsere Ergebnisse eröffnen nicht nur neue Möglichkeiten für einen nachhaltigeren 3D-Druck mit Licht, sondern auch für lebenswissenschaftliche Anwendungen – von dreidimensionalen Zellkulturen bis hin zu biokompatiblen Implantaten“, sagt Prof. Blasco.

Die mit diesen Tinten gedruckten Strukturen zeigten eine hohe Präzision und Komplexität, einschließlich überhängender Elemente und Hohlräume. In Tests mit Zellkulturen wiesen die Mikroalgen-Tinten eine nahezu vollständige Biokompatibilität auf, was ihre Eignung für medizinische Anwendungen unterstreicht. Die Forschungsergebnisse wurden im Rahmen des Exzellenzclusters „3D Matter Made to Order“ durchgeführt und in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht. Diese Entwicklungen könnten den Weg zu nachhaltigeren und umweltfreundlicheren 3D-Druckverfahren ebnen, die zugleich hohe Anforderungen an Präzision und Biokompatibilität erfüllen.