Der Freiformdruck ermöglicht es den Forschern, komplizierte Strukturen, wie dieses Modell eines Herzens, herzustellen, die mit dem herkömmlichen schichtweisen 3D-Druck nicht möglich wären. Die Strukturen können als Gerüste für das Tissue Engineering oder die Gerätefertigung eingesetzt werden.

Bild: Beckman Institute/Travis Ross

Isomaltstrukturen als Gerüst für Medizin der Zukunft Zuckersüßer 3D-Druck beflügelt die Biomedizin

04.06.2018

Isomalt ist nicht nur die Grundlage für Halsbonbons: US-Forscher haben einen 3D-Drucker entwickelt, der mit Hilfe des Zuckeralkohols Strukturen in die Luft druckt. Das Verfahren hat nicht nur Vorteile gegenüber dem schichtweisen 3D-Druck, sondern könnte in Zukunft Biomedizinern die Arbeit erleichtern.

Sponsored Content

Der 3D-Druck eröffnet der Industrie nicht nur Wachstumschancen: Er erlaubt es darüber hinaus Ingenieuren und Medizinern, ihrer Fantasie freien Lauf zu lassen. Daraus ist bereits eine Möglichkeit entstanden, Modelle menschlicher Haut zu drucken oder sogar 3D-Strukturen lebender Herzzellen zu drucken.

Ingenieure der University of Illinois haben nun einen 3D-Drucker gebaut, der eine süße Möglichkeit bietet, detaillierte Strukturen zu Drucken, bei denen kommerzielle 3D-Drucker typischerweise in die Knie gehen: Statt Schicht auf Schicht zu drucken, erstellt der Drucker ein feines Netz dünner Bänder aus gehärtetem Isomalt, das üblicherweise bei als Zuckeralkohol bei der Herstellung von Halsbonbons verwendet wird.

Gerüst für die Forschung, dass sich auflöst

Die wasserlöslichen, biologisch abbaubaren und glasartigen Zuckerstrukturen, die der 3D-Drucker der amerikanischen Forscher erzeugt, könnten vielseitig in der Biomedizintechnik oder der Krebsforschung genutzt werden. Das Prinzip ist einfach: Der Drucker schafft Formen, um die herum die Forscher weiche Materialien strukturieren oder Zellen und Gewebe züchten können. Das süße Gerüst löst sich am Ende auf, wenn es nicht mehr benötigt wird.

Als eine mögliche Anwendung kommt zum Beispiel die Züchtung von Gewebe oder die Untersuchung von Tumoren im Labor in Frage. Zellkulturen werden in der Regel auf flachen Schalen durchgeführt. Damit lassen sich zwar einige Zelleigenschaften untersuchen. Allerdings geben diese undynamischen Zellkulturen keinen Aufschluss darüber, wie ein System tatsächlich im Körper funktioniert. Im Körper gibt es klar definierte Formen, dort sind Form und Funktion eng miteinander verbunden.

Zucker in der Luft drucken

Der Drucker druck in freier Form, der geschmolzene Zucker härtet in der Luft während des Druckens aus. Freiform bedeutet, dass das geschmolzene Material bei der Bewegung der Düse durch den Raum aushärtet und eine stabile Struktur hinterlässt. Andere Arten des Zuckerdrucks, die bisher erforscht wurden, führten dazu, dass der Zucker brannte oder kristallisierte. Das Team aus Illinois fand heraus, dass der Zuckeralkohol Isomalt für Druckanwendungen geeignet ist und weniger anfällig für Verbrennung oder Kristallisation ist.

Nachdem der Ausgangsstoff gefunden war, bauten sie einen Drucker, der die richtigen mechanischen Details kombiniert, um stabile Isomaltstrukturen zu drucken - die richtige Temperatur, den richtigen Druck, um sie aus der Düse zu extrudieren, den Durchmesser der Düse und die Geschwindigkeit, um sie so zu bewegen, dass sie gleichmäßig druckt, aber dann zu einer stabilen Struktur aushärtet.

Algorithmus weist dem Drucker den Weg

Der letzte Schritt war die Informatik, um dem Drucker beizubringen, wie er die Reihenfolge herausfindet, in der sich kreuzenden Fäden gedruckt werden, damit sie nicht kollabieren. Die Forscher aus Illinois haben zusammen mit Greg Hurst von Wolfram Research in Champaign einen Algorithmus entwickelt, um Gerüste zu entwerfen und Druckpfade zu entwerfen.

Ein Vorteil solcher Freiformstrukturen ist ihre Fähigkeit, dünne Rohre mit kreisförmigen Querschnitten herzustellen, was mit herkömmlichem Polymer-3D-Druck nicht möglich ist. Wenn sich der Zucker auflöst, hinterlässt er eine Reihe von miteinander verbundenen zylindrischen Röhren und Tunneln, die wie Blutgefäße zum Transport von Nährstoffen im Gewebe oder zur Bildung von Kanälen in mikrofluidischen Geräten verwendet werden können.

Ein Häschen unterstreicht Vorteile gegenüber dem Schichtdruck

Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, die mechanischen Eigenschaften jedes Teils der Struktur durch geringfügige Änderungen der Druckerparameter präzise zu steuern.
Um das zu demonstrieren haben die Forscher ein Häschen gedruckt. Im Prinzip könnten die Forscher die mechanischen Eigenschaften des Häschenschwanzes so ändern, dass er sich von der Rückseite des Hasen ebenso wie von den Ohren unterscheidet.

Beim schichtweisen Drucken ist das nicht möglich, weil das gleiche Material in immer gleicher Mensche Schicht für Schicht abgelegt wird und es damit schwierig ist, die mechanischen Eigenschaften einzustellen.

Bildergalerie

  • Rohit Bhargava, Professor für Bioengineering (links), und Matt Melber, Doktorand. Im Hintergrund zu sehen ist ein 3D-Drucker, der Strukturen aus Zucker herstellt.

    Bild: L. Brian Stauffer

  • Ein mit dem 3D-Drucker hergestellter Hase aus Isomaltzucker gemischt mit einem leuchtend roten Farbstoff für die biomedizinische Bildgebung.

    Bild: Troy Comi

Verwandte Artikel