ETH-Zürich: Allzweck-Trägertinte für 3D-Drucker

Forscher der ETH Zürich haben aus Zellulosefasern und biologisch abbaubaren Nanopartikeln ein Gel hergestellt, das sich verflüssigt, wenn es durch die Spritzdüse eines 3D-​Druckers gepresst wird. Nach dem Druck nimmt das Gel wieder seine ursprüngliche Form an. In einer Pressemeldung erklärt die Einrichtung, dass diese Erfindung personalisierten Implantaten den Weg ebnet.

Die Materialwissenschaft konzentriert sich verstärkt auf Präzisions-​Biomaterialien um Behandlungen auf den einzelnen Patienten abzustimmen. Noch steht die Forschung am Beginn, aber wie Mark Tibbitt, Professor für Makromolekulares Engineering am Departement Maschinenbau und Verfahrenstechnik der ETH Zürich, erklärt, werden große Fortschritte gemacht.

Bisher litt das Forschungsfeld für Präzisions-​Biomaterialien daran, dass für jede Anwendung auch eine neue Tinte für den 3D-​Drucker entwickelt werden musste. So konnte nicht das gleiche Material für unterschiedliche Anwendungen verwendet werden. Tibbitt und sein Team haben nun eine universelle Allzweck-​Trägertinte erfunden, die die Entwicklung neuer Anwendungen vereinfachen soll.

Die Forscher vergleichen die Arbeit mit dem 3D-Drucker mit dem Zahnpastaproblem. Die Zahnpasta darf nicht zu zähflüssig sein, ansonsten könnte man den Inhalt der Tube nicht durch die Öffnung drücken. Gleichzeitig darf der Inhalt nicht zu flüssig sein, weil er dann gleich von der Zahnbürste abtropfen würde. Auch beim 3D-Druck muss man die Trägertinte verflüssigen können und sie danach verfestigen lassen, damit die gedruckte Struktur nicht gleich zerläuft.

Allzweck-​Trägertinte

Das Forscher-Team entwickelte eine Allzweck-​Trägertinte, welche dieses Anforderungen erfüllt. Das Material besteht aus in Wasser gelösten Zellulosefasern, kombiniert mit biologisch abbaubaren polymeren Nanopartikeln. Ohne äusseren Druck heften sich die Fasern an die Partikel. Dadurch bildet sich ein vergängliches Netzwerk, das sich aufgrund der grossen Scherkräfte in der Druckdüse auflöst – aber nach dem Durchgang durch die enge Öffnung rasch wieder formt.

In Tests haben die Wissenschaftler die Trägertinte mit verschiedenen Polymeren (z.B. mit Hyaluronsäure, Gelatine, Kollagen oder Fibrinogen) versetzt. Diese so genannten sekundären Polymere änderten nichts am Fliessverhalten durch den Kopf der Druckdüse, erlaubten es den Forschenden aber, das vergängliche Netzwerk in der gedruckten Struktur in einem zweiten nachträglichen Schritt zu verfestigen.

Ebenfalls wurde getestet wie sich lebende Zellen in der Trägertinte verhalten. Dabei wurde festgestellt, dass in der Tinte gleich viele Zellen überleben wie ausserhalb. Aus der Tatsache, dass hydrophobe Substanzen in die Nanopartikel eingeschleust – und hydrophile Substanzen in die wässrige Phase mit den Zellulosefasern hinzugegeben – werden können, zeigt das Team, dass sich ihre Tinte auch für die Entwicklung neuartiger Medikamentenverabreichungssysteme eignet.

Quelle: Guzzi EA, Bovone G, Tibbitt MW: Universal Nanocarrier Ink Platform for Biomaterials Additive Manufacturing. Small, vol. 15: no. 51, pp. 1905421, 2019. DOI: 10.1002/smll.201905421