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Eine 3D-Drucktechnologie, die die Herstellung von mikromedizinischen Geräten im menschlichen Körper fördern kann

2021-11-23

Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST) haben eine neue Methode für den 3D-Druck von Gelen und anderen weichen Materialien entwickelt. Die Forschung wurde in einem neuen Papier veröffentlicht und hat das Potenzial, komplexe Strukturen mit Nanometer-Präzision zu erzeugen. 

Da viele Gele mit lebenden Zellen kompatibel sind, kann diese neue Methode schnell mit der Herstellung von weichen mikromedizinischen Geräten beginnen, wie zum Beispiel Medikamentenabgabesystemen oder flexiblen Elektroden, die in den menschlichen Körper eingeführt werden können.

Standard-3D-Drucker arbeiten, indem sie dünne Materialbahnen (normalerweise Kunststoff oder Gummi) erstellen und diese Schicht für Schicht (wie Lasagne) aufbauen, bis das gesamte Objekt hergestellt ist.

Eine 3D-Drucktechnologie, die die Herstellung von mikromedizinischen Geräten im menschlichen Körper fördern kann

NIST-Forscher Andrei Kolmakov sagte, dass die Verwendung eines 3D-Druckers zur Herstellung von Objekten aus Gel "ein bisschen wie ein heikler Kochprozess" sei. Bei der Standardmethode wird die 3D-Druckerkammer mit in Wasser gelöster langkettiger Polymersuppe (langkettige Moleküle zusammengehalten) gefüllt. Fügen Sie dann "Duft" (ein spezielles, lichtempfindliches Molekül) hinzu. Wenn das Licht des 3D-Druckers diese speziellen Moleküle aktiviert, fügen sie Polymerketten zu einer flauschigen Netzwerkstruktur zusammen. Diese Art von Gel ist noch von flüssigem Wasser umgeben.

Im Allgemeinen verwenden moderne 3D-Geldrucker ultraviolette oder sichtbare Laser, um die Bildung von Gelgerüsten zu fördern. Kolmakov und seine Kollegen richteten ihre Aufmerksamkeit jedoch auf eine andere 3D-Drucktechnologie, die Elektronenstrahlen oder Röntgenstrahlen verwendet, um Gele herzustellen. Da diese Strahlungsarten eine höhere Energie oder kürzere Wellenlängen aufweisen als ultraviolettes und sichtbares Licht, können diese Strahlen stärker fokussiert werden, sodass Gele mit feineren Strukturdetails hergestellt werden können. Diese Details sind genau das, was Tissue Engineering und viele andere medizinische und biologische Anwendungen erfordern. Elektronen und Röntgenstrahlen haben noch einen zweiten Vorteil: Sie benötigen keine speziellen Moleküle, um die Gelbildung zu fördern.

Derzeit können solche eng fokussierten Quellen kurzwelliger Strahlung (Rasterelektronenmikroskope und Röntgenmikroskope) jedoch nur im Vakuum betrieben werden. Es gibt ein Problem, weil im Vakuum die Flüssigkeit in jeder Kammer verdampft, anstatt ein Gel zu bilden.

Kolmakov und seine Kollegen am NIST und in Triest, Italien, lösten dieses Problem und demonstrierten die Verwendung der 3D-Geldrucktechnologie in der Flüssigkeit, indem sie eine ultradünne Barriere (eine Schicht aus dünnem Siliziumnitridfilm) zwischen dem Vakuum und der Flüssigkeitskammer platzierten. Die Flocken verhindern das Verdampfen der Flüssigkeit (was normalerweise im Vakuum geschieht), lassen aber Röntgenstrahlen und Elektronen in die Flüssigkeit eindringen. Diese Methode ermöglichte es dem Team, mithilfe von 3D-Druckverfahren Gele mit Strukturen von bis zu 100 Nanometern (nm) (1000-mal dünner als menschliches Haar) herzustellen. Durch die Verbesserung ihrer Methode wollen die Forscher dem Gel eine 50-Nanometer-Struktur aufdrücken.

Einige auf diese Weise hergestellte Strukturen können in Zukunft für flexible injizierbare Elektroden zur Überwachung der Gehirnaktivität, Biosensoren zur Viruserkennung, Mikroroboter und Strukturen verwendet werden, die lebende Zellen simulieren und ein Medium für deren Wachstum bieten können.

Kolmakov sagte: "Wir führen neue Werkzeuge (Elektronenstrahlen und Röntgenstrahlen in Flüssigkeiten) in den 3D-Druck von weichen Materialien ein." Er und seine Kollegen haben am 16. September 2020 einen auf ACS Nano veröffentlichten Bericht verabschiedet. Ihre Arbeit wird in einem Artikel beschrieben.

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