Carnegie Mellon University beschäftigt sich mit dem 3D-Eisdruckverfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen

Forschende der Carnegie Mellon University entwickeln numerische Modelle, die eine präzise Steuerung des 3D-Eisdruckverfahrens für biomedizinische und fertigungstechnische Anwendungen ermöglichen.

Dennoch bleibt die Herstellung von Strukturen mit präzisen, mikroskopisch kleinen Hohlräumen und Kanälen eine Herausforderung. Besonders im Bereich des Tissue Engineering müssen Gerüste komplexe, dreidimensionale Netzwerke von Kanälen enthalten, die das menschliche Gefäßsystem nachbilden. Traditionelle additive Fertigungsmethoden stoßen hier an ihre Grenzen, da sie die Erstellung solcher komplizierten inneren Strukturen erschweren, ohne Zeit, Genauigkeit und Ressourcen zu opfern.

Um dieses Problem zu lösen, entwickeln die Professoren Philip LeDuc und Burak Ozdoganlar den sogenannten 3D-Eisdruck (3D-ICE). Diese Technik verwendet Wasser als Druckmaterial, das durch eine piezoelektrische Tintendüse in Form winziger Tropfen auf eine unterhalb des Gefrierpunkts gehaltene Plattform aufgetragen wird. Die Tropfen gefrieren unmittelbar nach dem Kontakt, wodurch sich allmählich eine Eisstruktur bildet.

„3D-Eis könnte als Opfermaterial verwendet werden, d. h. wir könnten damit präzise geformte Kanäle im Inneren von gefertigten Teilen erzeugen“, so LeDuc. „Das wäre in vielen Bereichen nützlich, von der Schaffung neuen Gewebes bis hin zur Soft-Robotik.“

Ein einzigartiges Merkmal dieses Prozesses ist die Möglichkeit, mehrere Tropfen abzugeben, bevor der vorherige vollständig gefroren ist. Dadurch bleibt eine Wasserkappe auf der gedruckten Struktur, während das Gefrieren von unten nach oben fortschreitet. Dies erlaubt die Schaffung von Strukturen mit glatten Wänden, Übergängen und Verzweigungen. Die Dimensionen der Strukturen können durch die Kontrolle der Tropfenablagerungsrate und der Temperaturen der Druckfläche, der Tropfen und der Arbeitsumgebung angepasst werden.

„Die Häufigkeit der Tröpfchenabscheidung beeinflusst die Höhe und Breite der Struktur“, so Ozdoganlar. „Wenn man schnell aufträgt, wächst die Wasserkappe und erzeugt breitere Strukturen. Wenn man langsam aufträgt, wird die Struktur schmaler und höher. Auch die Temperatur des Substrats wirkt sich aus. Bei gleicher Abscheiderate führt eine niedrigere Substrattemperatur zu höheren Strukturen“.

LeDuc und Ozdoganlar haben ihre Forschungsergebnisse in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht. Die Artikel beschreiben detaillierte 2D- und 3D-Modelle, die die Physik des 3D-Eisdrucks, einschließlich Wärmeübertragung, Fluiddynamik und der schnellen Phasenänderung von flüssig zu fest, erklären. Die gedruckten Eisstrukturen können in eine vorgekühlte, aushärtbare Harzlösung getaucht werden. Nach dem Aushärten des Harzes wird das Eis geschmolzen und sublimiert, wodurch eine poröse Form im Harz zurückbleibt.

„Es gibt alle Arten der Wärmeübertragung, einschließlich der Wärmeleitung zum Boden und der Konvektion in die Umgebung“, so Ozdoganlar. „Alle diese Faktoren wirken gleichzeitig, wenn man die einzelnen Tropfen ablagert. Wenn man ein Tröpfchen schräg ablagert, schwappt ein Teil des Tröpfchens auf die Seite der Säule über, bevor es gefriert. Und wenn man die Ablagerung in diesem Winkel fortsetzt, verändert die Gefrierfront langsam ihre Form, und die Struktur wächst in diese Richtung.“

Neben der Verfeinerung ihrer mathematischen Modelle arbeiten die Labors von LeDuc und Ozdoganlar daran, den 3D-Eisdruck zu skalieren und seine Wirksamkeit in verschiedenen Anwendungen zu erforschen. Beispielsweise könnte die aktuelle Strategie des Tissue Engineering bald durch den 3D-Eisdruck personalisierte Gewebe ermöglichen, die die einzigartige Struktur des Gefäßsystems eines jeden Patienten nachbilden und so den spezifischen Bedürfnissen des Körpers gerecht werden. Darüber hinaus könnte 3D-ICE funktionelle Gewebekonstrukte für die Erforschung verschiedener Krankheiten oder die Entwicklung neuer Therapeutika schaffen.

„Als ich mein Labor gründete, hätte ich mir nie vorstellen können, dass wir einmal Eis in 3D drucken und damit Gewebe herstellen würden, um Menschen zu helfen“, so LeDuc. „Aber unsere Forschung hat sich weiterentwickelt. Sie hat Menschen wie Burak und mich zusammengebracht, und jeder bringt alle möglichen unterschiedlichen Perspektiven und Fähigkeiten mit ein. Es ist eine wunderbare Sache, diese Arbeit gemeinsam zu machen, bei der die Summe der Teile definitiv größer ist als die einzelnen Teile in dieser transdisziplinären Wissenschaft und Technik.“