Biotinten für 3D-Druck Von der Alge zur biokompatiblen 3D-Mikrostruktur

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Additive Fertigung kann auch nachhaltig sein. Ein Team der Universität Heidelberg nutzt Mikroalgen für den 3D-Druck von komplexen biokompatiblen Strukturen. Diese können als Grundlage für Implantate oder Gerüste für die 3D-Zellkultur dienen.

Unter den Verfahren der additiven Fertigung bietet der 3D-Laserdruck mit Zwei-Photonen-Polymerisation besondere Vorteile für die Herstellung von Strukturen im Mikro- und Nanobereich. Aufgrund der hohen Auflösung kommt er unter anderem in der Optik und Photonik, der Mikrofluidik oder der Biomedizin zum Einsatz. Dabei wird ein fokussierter Laserstrahl auf einen flüssigen, photoreaktiven Lack, eine so genannte „Tinte“, gerichtet. Im Fokus aktiviert das Laserlicht spezielle, als Photoinitiatoren bekannte Moleküle und löst eine chemische Reaktion aus, die zu einer lokalen Verfestigung der Tinte führt.

Als Tinten für dieses höchst präzise Verfahren des 3D-Laserdrucks werden bislang hauptsächlich Polymere auf petrochemischer Basis verwendet. Sie tragen jedoch zur Erschöpfung der fossilen Brennstoffe sowie zur Emission von Treibhausgasen bei und können darüber hinaus toxische Bestandteile enthalten, wie Prof. Dr. Eva Blasco hervorhebt, Wissenschaftlerin am Institute for Molecular Systems Engineering and Advanced Materials (IMSEAM) der Universität Heidelberg.

Der Blick der Forscherin richtet sich daher auf Mikroalgen. Sie eignen sich besonders gut als „Biofabriken“ für die Gewinnung von nachhaltigen Materialien für das dreidimensionale Drucken, weil sie schnell wachsen, im Zuge der Kultivierung sogar Kohlendioxid binden und darüber hinaus biokompatibel sind. „Trotz ihrer Vorteile sind Mikroalgen als Rohstoffe für den lichtbasierten 3D-Druck kaum in Betracht gezogen worden“, sagt die Wissenschaftlerin, die mit ihrer Gruppe an der Schnittstelle von makromolekularer Chemie, Materialwissenschaften und 3D-Nanofabrikation forscht.

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Algenfette und -farbstoffe als Druckmaterial

Dem Forschungsteam gelang es nun erstmals, aus Mikroalgen biokompatible Materialien für den hochauflösenden 3D-Laserdruck zu gewinnen. Dazu wählten die Wissenschaftler zwei Arten aus, die besonders viele Fette in Form von Triglyzeriden enthalten: die Kieselalge Odontella aurita und die Grünalge Tetraselmis striata. Daraus extrahierten die Forscher die Triglyzeride und funktionalisierten sie mit Acrylaten, um eine schnelle Aushärtung bei Lichteinstrahlung zu ermöglichen.

Die in den Mikroalgen vorhandenen photoaktiven grünen Farbstoffe erwiesen sich dabei als geeignete Photoinitiatoren. Sie starten unter Einfall von Licht die chemische Reaktion, durch die sich die Tinte zu einer dreidimensionalen Struktur verfestigt. „Damit vermeiden wir den Einsatz von potenziell toxischen Zusatzstoffen wie Photoinitiatoren, die in herkömmlichen Tinten verwendet werden“, erklärt Erstautorin Clara Vazquez-Martel, Doktorandin in der Forschungsgruppe von Blasco am IMSEAM.

Biotinten erfolgreich getestet

Mit dem neuen Tintensystem stellten die Wissenschaftler verschiedene 3D-Mikrostrukturen mit hoher Präzision und komplexen Merkmalen wie überhängenden Dächern oder Hohlräumen her. Anhand von Versuchen mit Zellkulturen untersuchten die Forscher auch die Biokompatibilität der mikroalgenbasierten Tinten. Dazu fertigten sie dreidimensionale Mikrogerüste, auf denen die Zellen für etwa 24 Stunden kultiviert wurden. Ihren Beobachtungen zufolge lag die Überlebensrate bei nahezu 100 Prozent. „Unsere Ergebnisse eröffnen nicht nur neue Möglichkeiten für einen nachhaltigeren 3D-Druck mit Licht, sondern auch für lebenswissenschaftliche Anwendungen – von dreidimensionalen Zellkulturen bis hin zu biokompatiblen Implantaten“, sagt Forschungsleiterin Blasco.

Originalpublikation: C. Vazquez-Martel, L. Florido Martins, E. Genthner, C. Almeida, A. Martel Quintana, M. Bastmeyer, J. L. Gómez Pinchetti, E. Blasco: Printing Green: Microalgae-Based Materials for 3D Printing with Light, Advanced Materials (14 June 2024); DOI: 10.1002/adma.202402786

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