Eis könnte das Bioprinting revolutionieren

US-Forschende erschaffen feinste Gefäßstrukturen in großvolumigen Bauteilen – binnen kürzester Zeit. Ihr Material: Wasser, gefroren.

Bei der Herstellung menschlichen Gewebes (Tissue Engineering) oder beim zukünftigen Drucken ganzer Organe besteht regelmäßig die Schwierigkeit, mikroskalige, präzise Hohlräume und Kanäle zu schaffen. Im Endprodukt sollen sie beispielsweise das menschliche Gefäßsystem nachahmen und Körperflüssigkeiten wie Blut und Lymphe transportieren.

Bisherige Herstellungsansätze, etwa die Zwei-Photonen-Polymerisation, sind zwar ausreichend präzise, aber deutlich zu langsam: Die zuerst aufgebauten Schichten sterben bereits ab, während oben noch gedruckt wird. Große Volumina aus lebenden Zellen lassen sich so nicht realisieren.

Um dieses Problem zu lösen, haben Philip LeDuc und Burak Ozdoganlar, Professoren für Maschinenbau an der Carnegie Mellon University in Pittsburgh/Pennsylvania, das Freiform-3D-Eisdruckverfahren (3D-ICE) entwickelt. Bei dieser Drop-on-Demand-Technik stößt eine piezoelektrische Tintenstrahldüse winzige Wassertröpfchen auf eine Bauplattform aus, die unterhalb des Gefrierpunkts gehalten wird. Dadurch gefrieren die Tröpfchen kurz nach dem Kontakt. Vorteil des Materials: Die Biokompatibilität von Wasser lässt sich kaum noch steigern.

Complexity for free: Überhänge sind kein Problem

Einzigartig ist, dass das Verfahren so gesteuert werden kann, dass ein oder mehrere Tröpfchen aufgetragen werden, bevor das vorherige Tröpfchen gefroren ist. Je mehr Tropfen in kurzer Zeit aufgetragen werden, desto größer wird die Wasserkappe auf dem Substrat und desto dicker wird die Struktur.

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Umgekehrt heißt das: Werden winzige Tropfen langsam in einem sehr stark gekühlten Bauraum ausgebracht, entstehen hochfiligrane Äste. Sie können einen Durchmesser von nur 50 µm haben – was einem sehr dünnen menschlichen Haar entspricht. Das Verfahren erzeugt glatte Wände und sanfte Übergänge. Auch Überhänge und Vielfachverzweigungen sind ohne Stützstrukturen herstellbar.

Ist der Eisbaum mit der gewünschten Verästelung fertig, wird er in ein vorgekühltes Harzbad gegeben. Dieses Harz kann dann unter Lichteinwirkung aushärten. Anschließend wird die Temperatur angehoben, damit das verflüssigte Wasser aus dem Bauteil fließen kann.

Nutzbar für Mikrofluidik und Soft-Robotik

Noch sind die Forscher nicht so weit, das Harz mit lebenden Zellen anzureichern. Es wartet noch viel Forschungsarbeit auf sie. Ozdoganlar blickt dennoch zuversichtlich in die Zukunft: „Dies ist eine erstaunliche Errungenschaft, die spannende Fortschritte bringen wird. Wir glauben, dass dieser Ansatz ein enormes Potenzial hat, das Tissue Engineering und andere Bereiche zu revolutionieren, in denen Miniaturstrukturen mit komplexen Kanälen benötigt werden.“ Was er adressiert: Mikrofluidik (Lab-on-a-Chip) und Soft-Robotik.

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