Mit einer neuen 3D-Druckplattform lassen sich biochemische Minifabriken mit unterschiedlichen Bakterien auf komplexe Oberflächen drucken.

Bild: ETH Zürich/Bara Krautz

Minifabriken für Medizin und Industrie Hilfsbereite Bakterien aus dem 3D-Drucker

12.12.2017

Für den 3D-Druck haben ETH-Forscher eine biokompatible Tinte mit lebenden Bakterien entwickelt. Damit lassen sich biologische Materialien herstellen, die Giftstoffe abbauen oder hochreine Zellulose für biomedizinische Anwendungen produzieren können.

Mit 3D-Druck wird Science-Fiction heute schon Realität – es gibt kaum noch etwas, das die Wunderkästen nicht herstellen können. Als Ausgangsmaterial kam bisher allerdings nur „tote Materie“ wie Kunststoff oder Metall zum Einsatz.

Nun stellt eine Gruppe von ETH-Forschern um Professor André Studart, Leiter des Labors für Komplexe Materialien, eine 3D-Druckplattform vor, die mit lebender Materie arbeitet: Die Forscher entwickelten dafür eine Tinte, die Bakterien enthält. Damit lassen sich biochemische Minifabriken mit unterschiedlichen Funktionen drucken. Diese hängen davon ab, welche Bakterienarten die Forscher in der Tinte einsetzen.

Die Eigenschaften von Bakterien nutzen

In ihrer Arbeit verwendeten die Forscher die Bakterienarten Pseudomonas putida und Acetobacter xylinum. Die erste Art kann das giftige Phenol, das die chemische Industrie im großen Stil produziert, abbauen. Die zweite Art sondert hochreine Nano-Zellulose ab. Die bakterielle Zellulose wirkt schmerzlindernd, hält feucht und ist stabil und kann deshalb bei Brandverletzungen verwendet werden.

Die Druckplattform erlaubt verschiedene Kombinationsmöglichkeiten. So können die Wissenschaftler in einem Durchlauf bis zu vier verschiedene Tinten mit unterschiedlichen Bakterienarten in unterschiedlichen Konzentrationen verwenden, um damit Objekte mit mehreren Funktionen herzustellen.

Die Tinte besteht aus einem biokompatiblen und strukturgebenden Hydrogel bestehend aus Hyaluronsäure, langkettigen Zuckermolekülen sowie Kieselsäure. Damit die Bakterien nicht verhungern, wird ihr Nährmedium der Tinte beigemischt. In dieses Hydrogel können die Forscher die Bakterien mit den gewünschten Eigenschaften beimengen und schließlich beliebige dreidimensionale Strukturen drucken.

So viskos wie Zahnpasta

Eine besondere Herausforderung bei der Entwicklung des bakterienhaltigen Hydrogels waren dessen Fließeigenschaften. Damit sie sich durch die Druckdüse pressen lässt und die Bakterien ausreichend Bewegungsfreiheit haben, muss die Tinte ausreichend fließen können. Gleichzeitig müßen die ausgedruckten Formen stabil genug sein, damit sie das Gewicht von weiteren Lagen tragen.

Die Tinte muss deshalb laut den Forschern so viskos wie Zahnpasta sein und die Konsistenz einer Handcreme haben. Den Wissenschaftlern ist das gelungen. Das Ergebnis trägt nun den Namen Flink (functional living ink).

Das Potenzial ist enorm

Die Lebensdauer der gedruckten Minifabriken haben die Materialwissenschaftler noch nicht untersucht, jedoch schätzen sie, dass die Bakterien sehr lange in gedruckten Strukturen überleben können.

Das Potenzial, mit bakterienhaltigen Hydrogels zu drucken, ist ebenso groß wie die Vielfalt an nützlichen Bakterien. Dass bislang kaum jemand bei additiven Verfahren mit Bakterien gearbeitet hat, führen die Forscher auf den schlechten Ruf der Mikroorganismen zurück. Dabei halten die Forscher ihre neue Tinte für unbedenklich. Die verwendeten Bakterien sind allesamt harmlos und nützlich.

Giftstoffsensor und Ölpestfilter als mögliche Anwendungen

Neben medizinischen und biotechnologischen Anwendungen können sich die Forscher viele weitere Anwendungen vorstellen, etwa die Untersuchung von Abbauprozessen oder der Entstehung von Biofilmen. Eine praktische Anwendung wäre ein 3D-gedruckter Sensor mit Bakterien, der Giftstoffe im Trinkwasser anzeigt. Denkbar sind auch bakterienhaltige Filter, die bei Ölkatastrophen zum Einsatz kommen.

Herausforderungen sind derzeit die lange Druckzeit und die schwierige Skalierbarkeit. Um Zellulose für biomedizinische Anwendungen zu erzeugen, braucht die Bakterienart Acetobacter derzeit mehrere Tage. Die Wissenschaftler sind jedoch überzeugt, dass sie die Prozesse noch optimieren und beschleunigen können.

Bildergalerie

  • Das ETH-Logo, lagenweise 3D-gedruckt mit bakterienhaltiger Druckertinte.

    Bild: ETH Zürich

  • Komplexität am Puppenkopf: Bakterienhaltige Tinte lässt sich auch auf eine komplexe dreidimensionale Oberfläche drucken.

    Bild: ETH Zürich

  • Stäbchenförmige Bakterien produzieren als fädige Struktur erkennbare Zellulose.

    Bild: ETH Zürich

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