Die Natur hat eine außerordentliche Fähigkeit, Verbundstoffe zu produzieren, die gleichzeitig leicht und fest, porös und starr sind, wie z. B. Muschelschalen oder Knochen. Die Herstellung solcher Materialien im Labor oder in der Fabrik - insbesondere unter Verwendung umweltfreundlicher Materialien und Verfahren - ist jedoch eine echte Herausforderung.
Wissenschaftler des Laboratoriums für weiche Materie an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Technik wandten sich bei der Suche nach einer Lösung an die Natur. Sie entwickelten eine 3D-druckbare Tinte, die Sporosarcina pasteurii enthält: ein Bakterium, das, wenn es einer harnstoffhaltigen Lösung ausgesetzt wird, einen Mineralisierungsprozess auslöst, bei dem Kalziumkarbonat (CaCO3) entsteht. Das Ergebnis ist, dass die Wissenschaftler mit ihrer Tinte - mit dem Spitznamen BactoInk - praktisch jede beliebige Form in 3D drucken können, die dann innerhalb weniger Tage allmählich mineralisiert.
"Der 3D-Druck gewinnt allgemein immer mehr an Bedeutung, aber die Anzahl der Materialien, die in 3D gedruckt werden können, ist aus dem einfachen Grund begrenzt, weil die Tinten bestimmte Fließbedingungen erfüllen müssen", erklärt Esther Amstad, die Leiterin des Labors. "Zum Beispiel müssen sie sich wie ein ruhender Feststoff verhalten, aber gleichzeitig von einer 3D-Druckdüse extrudierbar sein - ähnlich wie Ketchup."
Esther Amstad erklärt, dass 3D-Drucktinten, die kleine Mineralpartikel enthalten, bereits verwendet wurden, um einige dieser Fließkriterien zu erfüllen, dass die erhaltenen Strukturen jedoch dazu neigen, weich zu sein oder beim Trocknen zu schrumpfen, was zu Rissen und einem Verlust der Kontrolle über die Form des Endprodukts führt.
"Wir haben uns daher einen einfachen Trick einfallen lassen: Statt Mineralien zu drucken, haben wir mithilfe unseres BactoInk ein Polymergerüst gedruckt, das dann in einem zweiten, separaten Schritt mineralisiert wird. Nach etwa vier Tagen führt der von den Bakterien im Gerüst ausgelöste Mineralisierungsprozess zu einem Endprodukt mit einem Mineraliengehalt von über 90%."
Das Ergebnis ist ein fester, elastischer Biokomposit, der mit einem handelsüblichen 3D-Drucker und natürlichen Materialien hergestellt werden kann, und zwar ohne die extremen Temperaturen, die oft für die Herstellung von Keramiken 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-Drucktinte beschreibt, die Bakterien zur Induzierung der Mineralisierung verwendet, wurde kürzlich in der Zeitschrift Materials Today veröffentlicht.
Kunst, Korallenriffe oder Knochen reparieren
Der Ansatz des Soft Matter Laboratory hat mehrere potenzielle Anwendungen in einem breiten Spektrum von Bereichen, von der Kunst über die Biomedizin bis hin zur Ökologie. Esther Amstad glaubt, dass die Restaurierung von Kunstwerken durch BactoInk erleichtert werden könnte. Die Tinte kann auch direkt in eine Form oder eine Zielstelle eingespritzt werden - ein Riss in einer Vase oder ein Splitter in einer Statue, zum Beispiel. Die mechanischen Eigenschaften der Tinte verleihen ihr die Festigkeit und Schrumpfungsbeständigkeit, die zur Reparatur eines Kunstwerks und zur Verhinderung weiterer Schäden während des Restaurierungsprozesses erforderlich sind.
Die Tatsache, dass bei der Methode nur umweltfreundliche Materialien verwendet werden, und ihre Fähigkeit, einen mineralisierten Biokomposit zu produzieren, machen sie außerdem zu einem vielversprechenden Kandidaten für den Bau künstlicher Korallen, die bei der Regeneration geschädigter Meeresriffe helfen können. Schließlich könnte die Tatsache, dass die Struktur und die mechanischen Eigenschaften des Biokomposits denen von Knochen nachempfunden sind, ihn potenziell für zukünftige biomedizinische Anwendungen interessant machen.
"Die Vielseitigkeit des BactoInk-Verfahrens, kombiniert mit der geringen Umweltbelastung und den hervorragenden mechanischen Eigenschaften der mineralisierten Materialien, eröffnet viele neue Möglichkeiten zur Herstellung von leichten, tragenden Verbundstoffen, die natürlichen Materialien ähnlicher sind als die heutigen synthetischen Verbundstoffe", fasst Esther Amstad zusammen.
Referenzen
Referenz: Matteo Hirsch, Lorenzo Lucherini, Ran Zhao, Alexandra Clarà Saracho, Esther Amstad, 3D printing of living structural biocomposites, Materials Today, 2023, https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.02.001 .
