Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und von Charles Stark Draper untersuchen in einer aktuellen Arbeit den 3D-Druck holzähnlicher Materialien. Bäume sind aufgrund ihrer Dekarbonisierungseffekte eine wichtige Ressource dieser Erde und deren Erhalt essenziell, um dem Klimawandel erfolgreich entgegenzuwirken. Würde Holz weniger für alltägliche (Wegwerf-)Produkte benutzt werden, würde sich das positiv auf unsere Umwelt auswirken.

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Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und des Charles Stark Draper Laboratory haben eine neue Methode zum 3D-Biodruck (dem 3D-Druck organischer Substanzen) von holzähnlichen Materialien entwickelt. Dies ist ihnen mit im Labor gezüchteten lebenden Zellen der Pflanze Zinnia elegans gelungen. Eines Tages könnten sie kundenspezifische Formen wie Stühle, Tische und andere Holzprodukte drucken, ohne Bäume zu fällen. Sie konnten außerdem die physikalischen und mechanischen Eigenschaften der gedruckten Strukturen durch die Anpassung der Eigenschaften wie Dichte und Steifigkeit der im Zellwachstum verwendeten Chemikalien verbessern.

Ashley Beckwith, Hauptautorin der Studie, sagte:

„Die Idee ist, dass Sie diese Pflanzenmaterialien in genau der Form anbauen können, die Sie benötigen, sodass Sie nachträglich keine subtraktive Herstellung vornehmen müssen, was die Menge an reduziert Energie und Abfall. Es gibt viel Potenzial, dies zu erweitern und dreidimensionale Strukturen zu züchten.“

Ihre Arbeit veröffentlichten sie in einem Artikel mit dem Titel „Physical, mechanical, and microstructural characterization of novel, 3D-printed, tunable, lab-grown plant materials generated from Zinnia elegans cell cultures„.

Lebenswichtige Ressource

Bäume sind aufgrund ihrer lebenserhaltenden Dekarbonisierungseffekte eine sehr wichtige natürliche Ressource. Die Abholzung von Wäldern für alltägliche Produkte wie Gebäude, Möbel, Papier, Werkzeug und mehr könnte sich langfristig sehr negativ auf unsere Umwelt auswirken. Nexa3D pflanzt Bäume in Tansania für jeden verkauften 3D-Drucker, um ihren CO2-Verbrauch auszugleichen.

Beckwith fügt hinzu:

„Bäume und Wälder sind ein erstaunliches Werkzeug, um uns bei der Bewältigung des Klimawandels zu helfen, daher wird es eine gesellschaftliche Notwendigkeit sein, mit diesen Ressourcen so strategisch wie möglich umzugehen.“

Um die Natur zu unterstützen und weniger ihrer Ressourcen zu nehmen, suchten Forscher nun nach Alternativen für Petrischalen. Die MIT-Forscher isolierten lebende Zellen aus den Blättern einer Zinnia elegans-Pflanze, kultivierten sie zwei Tage lang und überführten sie in ein Gelmedium, wo sie mit lebenswichtigen Nährstoffen und zwei unterschiedlichen Hormonen versorgt wurden. Die Anpassung der Hormonspiegel in der anfänglichen Wachstumsphase zeigte den Forschern, dass die physikalischen und mechanischen Eigenschaften der Pflanzenzellen sich während ihres Wachstums verändern konnten. Sie extrudierten dann das mit Zellen beladene Gelmaterial zu komplexen Strukturen, wie etwa den Umrissen eines kleinen immergrünen Baums. Nach drei Monaten der Inkubation im Dunkeln und Dehydrierung zeigten die Strukturen ihre endgültigen physikalischen Eigenschaften.

Je geringer die Hormonbelastung war, desto geringer war die Dichte der Pflanzenzellen. Bei höheren Hormonspiegeln wuchsen die Pflanzenzellen mit kleineren und dichteren Zellstrukturen und mehr Steifheit. Es gelang den Forschern, eine mit Naturhölzern vergleichbare Steifheit zu erreichen.

Baum und Hundeknochen mit Gelmaterial gedruckt
Das Team erreichte eine Steifigkeit, die mit jenen von Naturhölzern vergleichbar ist (im Bild: Baum und Hundeknochen mit Gelmaterial gedruckt)(Bild © MIT).

Ergebnisse

Das Team konnte zeigen, dass die 3D-gedruckten Strukturen überleben und sogar nach dem Extrudieren noch weiter wachsen.

Luis F. Velásquez-García, Co-Autor des Artikels, sagte:

„Ich denke, die wirkliche Chance besteht hier darin, mit dem, was Sie verwenden und wie Sie es verwenden, optimal umzugehen. Wenn Sie ein Objekt erstellen möchten, das einem bestimmten Zweck dienen soll, müssen mechanische Erwartungen berücksichtigt werden. Dieser Prozess lässt sich wirklich individuell anpassen.“

Ablauf des 3D-Druck-Prozederes mit holzähnlichem Material
Forscher des Massachusetts Institute of Technology und des Charles Stark Draper Laboratory entwickelten eine neue Methode zum 3D-Biodruck holzähnlicher Materialien (im Bild: 3D-Druck-Workflow)(Bild © MIT).

Das Forscherteam möchte nun untersuchen, wie genetische und andere chemische Faktoren das Zellwachstum beeinflussen. Sie hoffen, eine Methode finden zu können, in der sie im Labor Holzprodukte mit Eigenschaften herstellen, die auf ihren beabsichtigten Aufwendungen basieren, wie hochfeste und isolierende Strukturen für Gebäudewände.

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