3D-Druck mit bakterieller Tinte erzeugt knochenähnliches Gemisch
Die Natur hat eine aussergewöhnliche Begabung für die Herstellung von Gemischen, die gleichzeitig leicht und stark, porös und fest sind – wie Muschelschalen oder Knochen. Die Herstellung solcher Materialien in einem Labor oder einer Fabrik – insbesondere unter Verwendung umweltfreundlicher Materialien und Verfahren – ist jedoch äusserst schwierig.
Die Forschenden des Soft Materials Laboratory in der Fakultät für Ingenieurwissenschaft und Technologie haben sich auf der Suche nach einer Lösung an die Natur gewandt. Sie haben eine 3D-druckbare Tinte entwickelt, die Sporosarcina pasteurii enthält: ein Bakterium, das, wenn es einer harnstoffhaltigen Lösung ausgesetzt wird, einen Mineralisierungsprozess auslöst, der Kalziumkarbonat (CaCO3) produziert. Das Ergebnis: Die Forschenden können mit ihrer Tinte – BactoInk genannt – praktisch jede beliebige Form dreidimensional drucken, die dann im Laufe einiger Tage allmählich mineralisiert.
«Der 3D-Druck gewinnt generell immer mehr an Bedeutung, aber die Anzahl der Materialien, die 3D-gedruckt werden können, ist aus dem einfachen Grund begrenzt, dass die Tinten bestimmte Fliessbedingungen erfüllen müssen», erklärt Laborleiterin Esther Amstad, «sie müssen sich zum Beispiel im Ruhezustand wie ein Festkörper verhalten, aber dennoch durch eine 3D-Druckdüse verformbar sein – so ähnlich wie Ketchup.»
Amstad erklärt, dass 3D-Druckfarben, die kleine mineralische Partikel enthalten, bisher verwendet wurden, um einige dieser Fliesskriterien zu erfüllen, aber dass die resultierenden Strukturen dazu neigen, weich zu sein oder beim Trocknen zu schrumpfen, was zu Rissen und zum Verlust der Kontrolle über die Form des Endprodukts führt.
«Also haben wir uns einen einfachen Trick ausgedacht: Anstatt Mineralien zu drucken, haben wir mit unserer BactoInk ein Polymergerüst gedruckt, das dann in einem zweiten, separaten Schritt mineralisiert wird. Nach etwa vier Tagen führt der durch die Bakterien im Gerüst ausgelöste Mineralisierungsprozess zu einem Endprodukt mit einem Mineralgehalt von über 90 %.»
Das Ergebnis ist ein starkes und widerstandsfähiges Biokomposit, das mit einem normalen 3D-Drucker und natürlichen Materialien hergestellt werden kann, ohne dass die, für die Herstellung von Keramik häufig erforderlichen, extremen Temperaturen erforderlich sind. Die Endprodukte enthalten keine lebenden Bakterien mehr, da sie am Ende des Mineralisierungsprozesses in Ethanol getaucht werden.
Die Methode, die die erste 3D-Druckfarbe beschreibt, die Bakterien zur Mineralisierung verwendet, wurde kürzlich in der Zeitschrift Materials Today veröffentlicht.
Flicken von Kunst, Korallenriffen oder Knochen
Der Ansatz des Soft Materials Laboratory hat mehrere potenzielle Anwendungsmöglichkeiten in einem breiten Spektrum von Bereichen, von der Kunst über die Ökologie bis zur Biomedizin. Amstad ist der Ansicht, dass die Restaurierung von Kunstwerken durch BactoInk erheblich erleichtert werden könnte. Die Tinte kann auch direkt in eine Form oder an eine Zielstelle gespritzt werden – zum Beispiel in einen Riss in einer Vase oder einen Chip in einer Statue. Die mechanischen Eigenschaften der Tinte verleihen ihr die notwendige Festigkeit und Schrumpfungsbeständigkeit, um ein Kunstwerk zu reparieren und weitere Schäden während des Restaurierungsprozesses zu verhindern.
Die Verwendung ausschliesslich umweltfreundlicher Materialien und die Fähigkeit, einen mineralisierten Biokomposit herzustellen, machen die Methode auch zu einem vielversprechenden Kandidaten für den Bau künstlicher Korallen, die zur Regeneration geschädigter Meeresriffe eingesetzt werden können. Schliesslich könnte die Tatsache, dass die Struktur und die mechanischen Eigenschaften des Biokomposits denen von Knochen ähneln, es für künftige biomedizinische Anwendungen interessant machen.
«Die Vielseitigkeit des BactoInk-Verfahrens in Verbindung mit den geringen Umweltauswirkungen und den hervorragenden mechanischen Eigenschaften der mineralisierten Materialien eröffnet viele neue Möglichkeiten für die Herstellung leichter, tragfähiger Verbundwerkstoffe, die natürlichen Materialien ähnlicher sind als den heutigen synthetischen Verbundwerkstoffen», fasst Amstad zusammen.
