Ein Forscherteam der Justus-Liebig-Universität in Gießen hat einen Prusa i3 dazu verwendet, um mit 3D-bedruckten dünnen Silicagelschichten (Kieselgelschichten) gemusterte 3D-Platten herzustellen. Das Verfahren wurde als Open-Source veröffentlicht.

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Justus Liebig Uniersität Gießen LogoDas Forscherteam um Gertrud Morlock und Dimitri Fichou passte den Prusa i3 Open-Source-3D-Drucker an, indem sie den im Original Kit enthaltenen Extruder gegen eine alternative Komponente austauschten. Der 3D-Drucker war nun in der Lage, dünne Kieselgelschichten zu drucken. Der maßgeschneiderte Prusa i3 wurde von Fichou speziell für die Dünnschichtchromatographie entwickelt.

3D-bedruckte Platten und Kanäle.
Mit Kieselgel bedruckte Platten und Kanäle. (Bild: ©analytical chemistry)

Was verbirgt sich hinter dem Begriff Dünnschichtchromatographie?

Unter dem Begriff Dünnschichtchromatographie ist ein Verfahren zu verstehen, bei dem auf einem absorbierenden Material Verbindungen abgetrennt werden. Das Oberflächenmaterial besteht in diesem Fall aus Silicagel (Kieselgel), welches auf eine Glasplatte oder eine Plastikfolie aufgetragen wird.

Als Basis für die Dünnschichtchromatographie dienten in diesem Fall 3D-Druckplatten. Die Dünnschichtchromatographie auf einer Glasplatte erfordert eine absolute Präzision und Genauigkeit, da das Material sehr empfindlich ist. Da das Gel von der Platte abgebaut werden kann oder eine inkonsistente Oberfläche die Folge ist, setzten Morlock und Fichou einen speziellen Positionssensor in den Extruder ein. Dieser Sensor stellte sicher, dass der Extruder bzw. die Spritze, welche das Kieselgel enthielt, sich stetig in einem festen Abstand zur Glasplatte befand. Durch den Einsatz des Sensors war es auch möglich, 3D-bedruckte Platten mit einer besonders flachen Schicht herzustellen. Morlock und Fichou veröffentlichten ihre Forschungsergebnisse unter dem Titel „Open-Source-Based 3D Printing of Thin Silica Gel Layers in Planar Chromatography“.

„Die optimalen Parameter für den 3D-Druck von Schichten wurden untersucht und die planaren chromatographischen Trennungen auf diesen gedruckten Schichten erfolgreich mit einer Mischung von Farbstoffen demonstriert. Der Schichtdruckprozess war schnell. Der Druck einer 0,2 mm Schicht auf ein 10 cm × 10 cm Format dauerte es weniger als 5 Minuten.“

Die Kosten für den Drucker und das Material waren durchaus erschwinglich. So schlug die Fertigung einer Platte mit weniger als 0,25 Euro zu Buche. Die Investitionskosten für die modifizierte Hardware lagen nach Angaben der Forscher bei 630 Euro.

Prusa i3 mit Modifikationen.
Prusa i3 3D-Drucker mit dem ausgetauschten Extruder und weiteren Modifikationen. (Bild: © 3ders.org)

Das Experiment zeigt das Potenzial des 3D-Drucks eindrucksvoll auf. Ein kleiner 3D-Drucker wie der Prusa i3 ist in der Lage, eine Siliciumdioxid-Beschichtung in weniger als 5 Minuten zu drucken. Auch größere 3D-Drucker können in die Lage versetzt werden, Siliciumdioxid-Beschichtungen auf Platten, Glasscheiben und anderen Materialien erheblich schneller herzustellen. Dies hat auch sinkende Betriebskosten und eine bessere Zeitausnutzung zur Folge. Morlock und Fichou von der Justus-Liebig-Universität Gießen konnten eine 3D-gedruckte Platte, die 40 Kanäle enthielt, für einen Preis von etwa 0,30 Euro in weniger als 2 Minuten drucken.

„Alle Änderungen des Gerätes und der Software wurden als Open-Source freigegeben, um die Wiederverwendung zu fördern und die Nutzer dazu zu ermutigen, zur Verbesserung dieser Technologie beizutragen. Mit diesem Proof-of-Prinzip wurde ein weiteres Asset in das Office Chromatography-Konzept integriert, in dem alle relevanten Schritte zur online-miniaturisierten planaren Chromatographie von einem einzigen Gerät durchgeführt werden“, so die Forscher abschließend.

Das Open-Source-Projekt findet sich unter dem Namen „Slurry Doser“ auf Github.

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