Doppelt grüner Druck 3D-Laserdruck klappt mit Biotinten aus Grün- und Kieselalgen

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Als „Biofabriken“ mit denen nachhaltigen Materialien für den 3D-Laserdruck gewonnen werden können, eignen sich aufgrund ihres hohen Anteils an Fetten und photoaktiven Farbstoffen insbesondere aus Mikroalgen ...

Einem internationalen Forschungsteam unter Leitung der Universität Heidelberg, ist es erstmals gelungen, mit den aus den Mikroalgen gewonnenen Rohstoffen Tinten für den Druck von komplexen biokompatiblen 3D-Mikrostrukturen zu gewinnen. Die mikroalgenbasierten Materialien könnten dabei künftig auch als Grundlage für Implantate oder Gerüste für die 3D-Zellkultur dienen. Unter den Verfahren der additiven Fertigung bietet der 3D-Laserdruck mit 2-Photonen-Polymerisation besondere Vorteile für die Herstellung von Strukturen im Mikro- und Nanobereich. Und wegen der hohen Auflösung kommt das Druckverfahren schon unter anderem in der Optik und Photonik, der Mikrofluidik oder der Biomedizin zum Einsatz. Dabei wird ein fokussierter Laserstrahl auf einen flüssigen, photoreaktiven Lack, die sogenannte „Tinte“, gerichtet. Im Fokus aktiviert das Laserlicht spezielle, als Photoinitiatoren bekannte Moleküle, was eine chemische Reaktion auslöst, die die Tinte an dieser Stelle aushärtet.

Grüne Algenfarbstoffe sind photoaktiv und ungefährlich

Als Tinten für dieses höchst präzise Verfahren des 3D-Laserdrucks werden bisher vor allem herkömmliche Polymere – also Kunststoffe – verwendet. Mikroalgen eignen sich besonders gut als alternative Tintenquellen. Sie sind quasi „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. Doch trotz ihrer Vorteile sind Mikroalgen als Rohstoffe für den lichtbasierten 3D-Druck kaum in Betracht gezogen worden. Das hat sich nun geändert. Und dem Forschungsteam gelang es nun auch erstmals, aus Mikroalgen biokompatible Materialien für den hochauflösenden 3D-Laserdruck zu gewinnen. Dazu wählte man mit der Kieselalge Odontella aurita und der Grünalge Tetraselmis striata (Bild) zwei Arten aus, die besonders viele Fette in Form von Triglyzeriden enthalten. Die Wissenschaftler extrahierten die Triglyzeride und funktionalisierten sie mit Acrylaten, um eine schnelle Aushärtung bei Lichteinstrahlung zu ermöglichen. Dabei erwiesen sich die in den Mikroalgen vorhandenen photoaktiven grünen Farbstoffe als geeignete Photoinitiatoren. Sie starten unter Einfall von Licht die chemische Reaktion, durch die sich die Tinte zu einer dreidimensionalen Struktur verfestigt. Damit vermeiden die Heidelberger potenziell toxischen Zusatzstoffen, wie Photoinitiatoren, die in herkömmlichen Tinten verwendet werden.

Neue Chancen für 3D-Druck und Biowissenschaft

Mit dem neuen Tintensystem konnten die Wissenschaftler verschiedene 3D-Mikrostrukturen mit hoher Präzision und komplexen Merkmalen wie überhängenden Dächern oder Hohlräumen herstellen. Anhand von Versuchen mit Zellkulturen untersuchte man auch die Biokompatibilität der mikroalgenbasierten Tinten. Dazu fertigten man dreidimensionale Mikrogerüste, auf denen die Zellen für etwa 24 Stunden kultiviert wurden. Ihren Beobachtungen zufolge lag die Überlebensrate bei nahezu 100 Prozent. Diese Ergebnisse eröffneten nicht nur neue Möglichkeiten für einen nachhaltigeren 3D-Druck mit Licht, sondern auch für biowissenschaftliche Anwendungen, was sich von dreidimensionalen Zellkulturen bis hin zu biokompatiblen Implantaten erstrecke.

Mehr zum dahinterstehenden Forschungsprojekt

Die Forschungsarbeiten waren eingebunden in das Exzellenzcluster „3D Matter Made to Order“, das gemeinsam von der Universität Heidelberg und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) getragen wird. Daran beteiligt waren neben den Heidelberger Wissenschaftlerinnen auch Forscherinnen und Forscher des KIT sowie der Banco Español de Algas an der Universidad de Las Palmas de Gran Canaria (ULPGC, Spanien). Die Deutsche Forschungsgemeinschaft, die Carl-Zeiss-Stiftung, der Fonds der Chemischen Industrie und die Europäische Union im Rahmen des European Territorial Cooperation Program haben die Arbeiten gefördert. Die Forschungsergebnisse sind in der Fachzeitschrift „Advanced Materials“ veröffentlicht.

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