Schweizer Forscher der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) haben ein 3D-Druckverfahren entwickelt, mit dem sie eine Tinte drucken können, die Calciumcarbonat-produzierenden Bakterien enthält. Das starke, leichte und umweltfreundliche 3D-gedruckte mineralisierte Biokomposit soll sich für Anwendungen von der Kunst bis zur Biomedizin eignen. Wir stellen die Biotinte „BactoInk“ und die Arbeit der Forscher einmal genauer vor.
Forschern der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) ist es gelungen, ein 3D-Druckverfahren zu entwickeln, das eine Tinte verarbeiten kann, die Calciumcarbonat-produzierenden Bakterien enthält. Wie die Forscher in einem Artikel auf ihrer Website erklären, soll das starke, leichte und umweltfreundliche 3D-gedruckte mineralisierte Biokomposit für Anwendungen von der Kunst bis zur Biomedizin geeignet sein. Ihre Arbeit haben die Forscher in einem Artikel mit dem Titel „3D printing of living structural biocomposites“ vorgestellt.
3D-druckbare Biotinte BactoInk
Starke, poröse und steife Verbundmaterialien, wie sie aus der Natur bekannt sind, im Labor nachzubilden, ist ein anspruchsvolles Vorhaben. Die Forscher des Soft Materials Laboratory der School of Engineering lag die Lösung in einer 3D-druckbaren Tinte namens BactoInk, die Sporosarcina pasturii enthält. Das Bakterium löst, wenn es einer harnstoffhaltigen Lösung ausgesetzt wird, einen Mineralisierungsprozess aus und Calciumcarbonat (CaCO 3) wird produziert. So lässt sich jede Form in 3D drucken, die innerhalb weniger Tage allmählich mineralisiert.
Die Laborleiterin Esther Amstad erklärt, dass früher 3D-Druckfarben mit kleinen Mineralpartikeln verwendet wurden, um einige der wichtigen Fließkriterien zu erfüllen. Es entstanden jedoch Strukturen, die zu weich waren oder beim Trocknen schrumpften. Außerdem war die Form des Endprodukts nicht zu kontrollieren.
Sie erklärt:
„Anstatt Mineralien zu drucken, haben wir mit unserem BactoInk ein polymeres Gerüst gedruckt, das dann in einem zweiten, separaten Schritt mineralisiert wird. Nach etwa vier Tagen wird der Mineralisierungsprozess durch die Bakterien im Scaffold führt zu einem Endprodukt mit einem Mineralstoffgehalt von über 90 %.“
Es entstand ein starkes, widerstandsfähiges Biokomposit, das mit einem 3D-Drucker aus natürlichen Materialien hergestellt werden konnte, ohne extreme Temperaturen, wie sie bei der Keramikherstellung nötig sind. Am Ende des Mineralisierungsprozesses werden die Endprodukte in Ethanol getaucht und enthalten keine lebenden Bakterien mehr.
Anwendungsbeispiele
Laut Amstad könnte die Restaurierung von Kunstwerken durch BactoInk erheblich erleichtert werden. Das Material könnte direkt in eine Form oder Zielstelle injiziert werden, wie einen Riss in einer Vase. Die Entwicklung eignet sich unter anderem für den Bau künstlicher Korallen, die zur Regeneration beschädigter Meeresriffe beitragen können. Da die Struktur und die mechanischen Eigenschaften des Biokomposits jenen von Knochen nachempfunden sind, ist die Arbeit auch für biomedizinische Anwendungen interessant.
Amstad fasst zusammen:
„Die Vielseitigkeit der BactoInk-Verarbeitung, kombiniert mit der geringen Umweltbelastung und den hervorragenden mechanischen Eigenschaften der mineralisierten Materialien, eröffnet viele neue Möglichkeiten zur Herstellung leichter, tragfähiger Verbundwerkstoffe, die natürlichen Materialien ähnlicher sind als den heutigen synthetischen Verbundwerkstoffen.“