Ein Forschungsteam der University of Colorado Boulder (CU Boulder) und der University of Pennsylvania hat einen neuartigen Prozess zur Herstellung von Hydrogelmaterialien mittels 3D-Druck entwickelt. Diese Materialien sind gleichzeitig elastisch, haftend und widerstandsfähig und könnten zukünftig in der Medizin zur Reparatur von Herzgewebe, als Knorpelpflaster oder für nadelfreie Nähte eingesetzt werden.
Veröffentlicht wurden die Forschungsergebnisse im Magazin „Science“ unter dem Titel „Additive manufacturing of highly entangled polymer networks„.
Innovative Hydrogelmaterialien für die Medizin
Professor Jason Burdick, der leitende Autor der Studie und Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen an der CU Boulder, erklärt:
„Herz- und Knorpelgewebe haben eine sehr begrenzte Fähigkeit, sich selbst zu reparieren. Wenn sie beschädigt sind, gibt es kein Zurück mehr. Durch die Entwicklung neuer, widerstandsfähigerer Materialien zur Verbesserung dieses Reparaturprozesses können wir einen großen Einfluss auf die Patienten haben.“
Das innovative Forschungsprojekt, das kürzlich in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurde, fand seine Inspiration in einem unerwarteten Bereich: den Körpern von Würmern, die sich zu einer Masse mit sowohl festen als auch flüssigen Eigenschaften verbinden können. In der Wissenschaft wird dies als „Wurmblob“ bezeichnet. Diese Idee wurde durch die Integration von ineinander verschlungenen Molekülketten in das 3D-Druckmaterial umgesetzt.
Der CLEAR-Prozess: Eine neue 3D-Druckmethode
Die Herstellung dieses widerstandsfähigen, pflasterähnlichen Materials ist dank eines speziellen 3D-Druckprozesses möglich, den das Forschungsteam entwickelt hat. Dieser Prozess, bekannt als CLEAR (Continuous-curing after Light Exposure Aided by Redox initiation), steuert die Verflechtung der Materialmoleküle während des Drucks. Dies geschieht durch eine Kombination von „Licht- und Dunkelpolymerisation“.
Die Forscher schreiben:
„Dieser allgemeine Ansatz erreicht eine hohe Monomerumsetzung bei Raumtemperatur ohne zusätzliche Reize wie Licht oder Wärme nach dem Drucken und ermöglicht die additive Fertigung hochverstrickter Hydrogele und Elastomere, die im Vergleich zu traditionellen DLP-Methoden vier- bis siebenmal höhere Dehnungsenergien aufweisen.“
Diese Technologie, für die die Forscher ein vorläufiges Patent angemeldet haben, hat erfolgreich Materialien gedruckt, die sowohl flexibler als auch robuster sind als Teile, die auf herkömmlichen DLP-Maschinen hergestellt werden. Zudem sind sie haftend, was es ihnen ermöglicht, an Geweben zu haften. Matt Davidson, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Burdick-Labor, sagt über diese Fähigkeit: „Wir können jetzt 3D-gedruckte Haftmaterialien herstellen, die stark genug sind, um Gewebe mechanisch zu stützen. Das konnten wir bisher noch nie.“
Die nächsten Schritte in der Forschung bestehen darin, zu untersuchen, wie diese 3D-gedruckten Materialien mit organischen Geweben interagieren. Die Forscher hoffen, dass ihre innovative Lösung in Zukunft zur Behandlung von Patienten mit Herzfehlern, zur Unterstützung der Geweberegeneration durch die direkte Abgabe von Medikamenten an Organe oder Knorpel und mehr verwendet werden kann.
Auch in anderen Bereichen wie Forschung und Entwicklung sowie der Fertigung könnte der 3D-Druckprozess Anwendung finden. Laut dem Team der CU Boulder wären andere Forschungsteams und industrielle Endanwender an dem CLEAR-Prozess interessiert, da er keine zusätzliche Energie zum Aushärten der Teile benötigt. „Dies ist eine einfache 3D-Verarbeitungstechnik, die letztendlich in akademischen Laboren und in der Industrie genutzt werden könnte, um die mechanischen Eigenschaften von Materialien für eine Vielzahl von Anwendungen zu verbessern. Es löst ein großes Problem beim 3D-Druck“, erklärt Erstautor Abhishek Dhand, Forscher im Burdick-Labor und Doktorand an der University of Pennsylvania.
