Dübendorf – Schweizer Forschern ist es gelungen, eine umweltfreundliche Tinte aus Cellulose-Nanokristallen (CNC) für den 3D-Druck zu entwickeln. Dadurch lassen sich Mikrostrukturen mit neuartigen mechanischen Eigenschaften herstellen, die für Implantate und andere biomedizinische Anwendungen äußerst vielversprechend sind.
Cellulose ist eine der Hauptkomponenten von Holz. Das Biopolymer besteht aus langen, in faserigen Strukturen organisierten Glukoseketten. An einigen Stellen weisen die Cellulosefibrillen eine geordnetere Struktur auf. „Die Stellen mit höherer Ordnung erscheinen in kristalliner Form. Und genau diese Abschnitte benötigen wir für unsere Forschung“, erklärt Gilberto Siqueira aus der Abteilung für Angewandte Holzforschung der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) in Dübendorf in der Schweiz.
„Die größte Herausforderung bestand darin, eine visko-elastische Konsistenz zu erreichen, die auch durch die Düsen des 3D-Druckers gepresst werden kann“, sagt Siqueira. Die Tinte muss also zäh genug sein, damit das gedruckte Material auch vor dem Trocknen oder Härten in Form bleibt und nicht sofort wieder zerfließt. Die Lösung der Forscher dafür ist eine CNC-Mixtur auf Polymer- anstelle von Wasserbasis. Diese habe einen entscheidenden Vorteil: Nach dem Drucken und dem Aushärten mittels UV-Bestrahlung hatten sich die CNC mit den Polymerbausteinen quervernetzt, wodurch das Verbundmaterial eine deutlich höhere mechanische Festigkeit aufwies.
Nach den ersten Druckversuchen und der Röntgenanalyse der Mikrostrukturen ist den Forschern aufgefallen, dass sich die CNC im gedruckten Objekt nahezu perfekt in Druckrichtung ausgerichtet hatten. Daraus schlossen sie, dass die mechanische Kraft, mit der die Tinte durch die Druckerdüse gedrückt wird, ausreicht, um diese derart zu ordnen. „Dass man die Ausrichtung der Nanokristalle steuern kann, ist sehr interessant, zum Beispiel, wenn man etwas drucken möchte, das eine spezifische Festigkeit in einer bestimmten Richtung haben soll“, sagt Siqueira.
Hinzu komme, dass die neuartige Tinte aus einem erneuerbaren Material besteht. „Cellulose ist das am häufigsten vorkommende natürliche Polymer der Erde“, erläutert der Forscher. „Es kommt nicht nur in Bäumen, sondern auch in anderen Pflanzen und sogar in Bakterien vor.“
Mögliche Anwendungsgebiete sehen die Schweizer Wissenschaftler zum Beispiel in der Automobilindustrie oder für Verpackungen jeglicher Art. „Das für mich wichtigste Anwendungsgebiet liegt allerdings in der Biomedizin“, so Siqueira, „zum Beispiel für Implantate oder Prothesen.“ Diese Möglichkeiten werden an dem Schweizer Forschungsinstitut derzeit weiter erforscht: „Die Forschung auf diesem Gebiet beginnt gerade erst.“
Quelle: Empa