Steriles Laborequipment aus dem 3D-Drucker

Wiener ForscherInnen des Austrian Centre of Industrial Biotechnology (acib) und der BOKU Wien entwickeln ein steriles 3D-Druckverfahren, mit dem Laborequipment aus umweltfreundlichem und bioabbaubarem Plastik hergestellt werden kann. Dadurch könnten mehrere Millionen Tonnen an Einwegplastikmüll entfallen und der Einsatz von Ressourcen, Energie und Wasser um bis zu 90 Prozent gesenkt werden. Die Technologie wird in Bälde als Open Source öffentlich und kostenlos zur Verfügung gestellt, um Laboren weltweit die Möglichkeit zu geben, einen weiteren Beitrag zum Umweltschutz zu leisten.

In Laboren weltweit werden große Mengen an Plastikmüll produziert. Dabei handelt es sich meist um Gegenstände, die nur einmal verwendet werden, weshalb es ein erklärtes Ziel wissenschaftlicher Einrichtungen in den Life Sciences ist, Strategien zur Reduzierung von Einwegkunststoffen zu finden. Dies geschieht im Bemühen, der Verschmutzung des Planeten vorzubeugen und sowohl den Klimazielen 2023 und 2040, den Nachhaltigkeitszielen der Vereinten Nationen als auch hierzulande der österreichischen Einwegkunststoffrichtlinie Rechnung zu tragen. Diese Richtlinien sehen u.a. vor, bestimmte Kunststoffprodukte aus Einwegkunststoff zu vermeiden und zu vermindern.

Derzeit belaufen sich die Kunststoffabfälle aus Laboren weltweit auf über 5,5 Millionen Tonnen pro Jahr. Zum Vergleich ist das mehr, als Indien mit 3 Mio. Tonnen in einem Jahr an Plastik produziert. Hinzu kommt, dass dieser Kunststoffabfall auf der einen Seite weder biologisch erzeugt, noch biologisch abbaubar ist. Auf der anderen Seite sind Labore vollständig von der Lieferkette für Einwegkunststoffe abhängig, was sich insbesondere bei Unterbrechungen wie der Covid-19-Krise oder in Kriegszeiten als sehr problematisch erwies und erweist, da die Lieferzeiten für Einwegkunststoffe teilweise mehr als 6 Monate betragen. Ein Umstand, der die Produktion wichtiger Medikamente, Impfstoffe und Produkte des Alltags gefährdet – und damit direkt die Gesundheit von uns Menschen.

Bioabbaubares Plastik aus dem Drucker

Um nicht länger von Lieferketten und umweltschädlichem Plastik abhängig zu sein, entschied sich ein ForscherInnenteam rund um Peter Satzer, Scientist am Austrian Centre of Industrial Biotechnology (acib) und am Institut für Bioverfahrenstechnik (IBSE) an der BOKU Wien, ein neues Druckverfahren zu entwickeln, um Laborequipment aus umweltfreundlichem Plastik selbst herzustellen: Schüttelkolben für den einmaligen Gebrauch als auch komplette Bioreaktoren konnten mithilfe biokompatibler, kompostierbarer Polymilchsäure (PLA) 3D-gedruckt werden. Dazu wurden handelsübliche 3D-Drucker verwendet. Der Vorteil: Die kompostierbaren Schüttelkolben für den Einmalgebrauch haben einem Materialendpreis von lediglich 0,60€. “Im Vergleich dazu kosten entsprechende Schüttelkolben aus Einwegkunststoff bislang rund 10 € pro Stück, mit dem Nachteil, dass diese nicht biologisch abbaubar sind”, erklärt Satzer und weist darauf hin, dass “die selbst gedruckten, kompostierbaren Schüttelkolben im Vergleich zu handelsüblichen Einwegkunststoffen dieselben, strengen Qualitätseigenschaften aufweisen.” Dies ist insofern wichtig, da in diesen Schüttelkolben u.a. menschliche, embryotische Nierenzellen (HEK), Ovarialzellen des chinesischen Hamsters (CHO) und Insektenzellen kultiviert werden. Satzer: “Diese drei Zelllinien sind derzeit wichtige Ausgangsstoffe für die Forschung als auch die Produktion neuer Arzneimittel, darunter Krebsbehandlungen, Impfstoffe und Gentherapien.”

Erhebliche Einsparung von Ressourcen, Kosten und Platz

Dieser neue Ansatz des 3D-Drucks kompostierbarer Biomaterialien soll langfristig eine Demokratisierung der Herstellung ermöglichen und WissenschaftlerInnen den Vorteil bieten, die benötigte Geometrie von Laborequipment frei wählen zu können. “Das Verfahren soll außerdem dabei helfen, nur jene Einwegartikel zu drucken, die tatsächlich benötigt werden, um Ressourcen, Kosten und – vielfach nur begrenzt verfügbaren – Lagerraum zu sparen”, so Satzer.

Steriles Druckverfahren

Darüber hinaus arbeiten die ForscherInnen an einem Verfahren, mit dem sterile Teile gedruckt werden können. Satzer: “Der derzeitige Stand der Technik sah entweder die Verwendung von teuren Einwegartikeln oder die Verwendung wiederverwendbarer Glasware vor, welche bisher energie- und ressourcenaufwändig gereinigt werden musste. Durch das sterile 3D-Druckverfahren würde eine bisher notwenige Sterilisation dieser Bauteile nach dem Druck entfallen, was den Energie- und Wasserverbrauch um über 90% senkt.” Nimmt man einen kommerziellen, zur Sterilisation von Laborequipment eingesetzten Autoklav in einem durchschnittlichen mikrobiologischen Labor mit 25 ForscherInnen als Rechenbeispiel, verbraucht dieser jährlich das 65-fache an Strom wie ein durchschnittlicher österreichischer Haushalt, 1800 m3 an Wasser und das Labor produziert ca. 1.3 Tonnen an Plastikmüll. Bei einer Gesamtzahl von 40.000 Mitarbeitern in der – stetig wachsenden – Life-Science-Forschung in Österreich bedeutet dies einen nicht zu unterschätzenden Ressourceneinsatz, der durch den direkten sterilen 3D-Druck aller benötigten Kunststoffe erheblich minimiert werden könnte.

Nachhaltigere Forschung

Das Konzept der 3D-gedruckten, biologisch abbaubaren Kunststoffprodukte kann auf den Druck ganzer Bioreaktoren im Labor- und Pilotmaßstab ausgeweitet werden. Dies macht Labore und Forschungslieferketten unabhängig, ressourceneffizient und nachhaltig, da biologisch abbaubare Kunststoffe anstelle von nicht abbaubaren Kunststoffen verwendet werden. Ein weiteres Ziel des 3D-Druckverfahrens ist es, die ökologischen Auswirkungen der Forschung für Biotherapeutika, Impfstoffe, im Labor gezüchtetem Fleisch, industrielle Enzyme und Biokunststoffe maßgeblich zu verringern – was ganze Sparten der Biotechnologieforschung noch nachhaltiger machen würde. Aktuell arbeitet die Arbeitsgruppe von Peter Satzer am acib daran, diese Technologie international verfügbar zu machen und den Katalog an verfügbarem Laborequipment ständig zu erweitern. Die Technologie wird zudem vom acib als Open Source zugänglich gemacht und steht damit schon bald interessierten Personen und Einrichtungen kostenlos zur Verfügung. Satzer betont: “Es ist nicht unser Ziel, diese Technologie zu kommerzialisieren, sondern einen wichtigen Beitrag zu leisten, um durch Reduzierung von Einwegkunststoffen die weltweite Biotechnologieforschung noch grüner zu machen.”