Neue Allzweck-Trägertinte für 3D-Drucker
Aus Zellulosefasern und biologisch abbaubaren Nanopartikeln haben ETH-Forschende ein Gel hergestellt, das sich verflüssigt, wenn es durch die Spritzdüse eines 3D-Druckers gepresst wird. Danach findet es rasch wieder zu seiner Form. Die Erfindung ebnet personalisierten Implantaten den Weg.
So wie sich in den letzten Jahren in der Medizin eine Entwicklung hin zur Pr?zisionsmedizin – also zur individualisierten und auf das Erbgut des einzelnen Patienten abgestimmten Behandlung – abzeichnet, interessiert sich auch die Materialwissenschaft zusehends mehr für Pr?zisions-Biomaterialien. Noch sind solche personalisierten Implantate Zukunftsmusik. ?Doch im Moment machen wir grosse Schritte auf dem Weg zu diesem Ziel – und lernen viel dabei?, sagt Mark Tibbitt, Professor für Makromolekulares Engineering am Departement Maschinenbau und Verfahrenstechnik der ETH Zürich.
Das Zahnpastaproblem
Bisher litt das Forschungsfeld für Pr?zisions-Biomaterialien daran, dass für jede Anwendung auch eine neue Tinten für den 3D-Drucker entwickelt werden musste. ?Wer ein Teil eines Auges nachbauen wollte, konnte sich nicht auf die Arbeiten von Leuten stützen, die zum Beispiel Ohrmuschelprothesen entwerfen?, erkl?rt Tibbitt. Doch nun haben er und sein Team eine universelle Allzweck-Tr?gertinte erfunden, die die Entwicklung neuer Anwendungen ?dramatisch vereinfacht?, wie die Forschenden in ihrem Fachbeitrag schreiben.
Grunds?tzlich setzt die Arbeit mit dem 3D-Drucker die L?sung eines Problems voraus, das sich salopp als das Zahnpastaproblem bezeichnen l?sst: Der Inhalt der Zahnpastatube darf nicht zu z?hflüssig sein, weil er sich sonst nicht durch die enge ?ffnung drücken l?sst, aber auch nicht zu flüssig, weil er dann gleich von der Zahnbürste abtropfen würde. Auch beim 3D-Drucken ist wichtig, dass sich die Tr?gertinte verflüssigen kann, um durch die Druckdüse zu fliessen. Und dass sie sich danach verfestigt, damit die gedruckte Struktur nicht gleich zerl?uft.
Vorübergehendes Netzwerk
Die Allzweck-Tr?gertinte, die das Team um Tibbitt nun entwickelt hat, erfüllt diese Anforderungen. Sie besteht aus in Wasser gel?sten Zellulosefasern, kombiniert mit biologisch abbaubaren polymeren Nanopartikeln. Ohne ?usseren Druck heften sich die Fasern an die Partikel. Dadurch bildet sich ein verg?ngliches Netzwerk, das sich aufgrund der grossen Scherkr?fte in der Druckdüse aufl?st – aber nach dem Durchgang durch die enge ?ffnung rasch wieder formt.
In weiteren Versuchen haben die Forschenden um Tibbitt ihre neue Tr?gertinte mit verschiedenen Polymeren (etwa mit Hyalurons?ure, Gelatine, Kollagen oder Fibrinogen) versetzt. Diese so genannten sekund?ren Polymere ?nderten nichts am Fliessverhalten durch den Kopf der Druckdüse, erlaubten es den Forschenden aber, das verg?ngliche Netzwerk in der gedruckten Struktur in einem zweiten nachtr?glichen Schritt zu verfestigen.
Neuartige Medikamentenverabreichung
Das Team um Tibbitt testete auch, wie sich lebende Zellen in der Tr?gertinte verhalten – und stellte fest, 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 w?ssrige Phase mit den Zellulosefasern hinzugegeben – werden k?nnen, zeigen die Forschenden, dass sich ihre Tinte auch für die Entwicklung neuartiger Medikamentenverabreichungssysteme eignet. Und deshalb ohne ?bertreibung als Allzweck-Tr?gertinte für den 3D-Druck bezeichnet werden kann.
Literaturhinweis
Guzzi EA, Bovone G, Tibbitt MW: Universal Nanocarrier Ink Platform for Biomaterials Additive Manufacturing. Small, vol. 15: no. 51, pp. 1905421, 2019. externe Seite DOI: 10.1002/smll.201905421