Bio-Techniker entdecken den 3D-Drucker für Implantate

Forscher der TU Delft in den Niederlanden haben Origami-Techniken und 3D-Druck kombiniert, um flache Strukturen zu erzeugen, die sich zu 3D-Strukturen zusammenfalten lassen (zum Beispiel zu einer Tulpe). Die Strukturen falten sich nach einer vorgeplanten Sequenz, wobei einige Teile früher als andere ihre Form verändern.

Anschaulich kann man es am besten so beschreiben, dass ein in seine Einzelteile zerlegtes Regal in einen Karton verpackt und an den Empfänger verschickt wird. Dort angekommen muss es nach der Anleitung aufgebaut werden. Zukünftig könnte das so aussehen, dass der Käufer nur noch die Verpackung entfernt – und das Möbelstück baut sich von selbst auf.

Für derartige Falttechniken werden in der Regel teure Drucker und spezielle Materialien benötigt. Doch die Wissenschaftler der TU Delft haben eine neue Technik entwickelt: Ihre Forschung hat unter anderem das Potenzial, nicht nur sich selbst aufbauende Regale herzustellen, sondern vor allem Knochenimplantate deutlich zu verbessern.

Die Arbeit des Teams um den Wissenschaftler Amir Zadpoor kombiniert die traditionelle japanische Papierfaltkunst mit der neuartigen Technologie des 3D-Drucks, um Konstrukte zu schaffen, die sich eigenständig rollen, selbst verdrehen, und sich selbst zu einer Vielzahl von 3D-Strukturen falten können. Im Jahr 2016 demonstrierten die Forscher bereits mehrere selbst-faltende Objekte.

Bei der Herstellung von Formänderungsvorrichtungen ist normalerweise viel Handarbeit erforderlich. Denn das Material, das die Forscher verwenden, kommt weder überall vor noch ist es billig. Doch bei diesem Projekt hat das Team von Zadpoor einen Ultimaker verwendet, der einer der beliebtesten 3D-Drucker ist, sowie PLA, das am häufigsten verwendete Druckmaterial.

Der Clou: Während des Druckvorgangs wird eine Schicht entweder gedehnt, aufgerichtet oder ganz unterschiedlich gefaltet. Dabei „merkt“ sich die Substanz den Vorgang, ganz so, als habe sie ein Erinnerungsvermögen. Zuletzt wird das Gebilde zusammengedrückt, sodass es wieder in eine flache Form kommt.

Programmierzeitverzögerungen

Was die Formen verändernden Objekte des Teams so fortschrittlich macht, ist die Tatsache, dass sie sich nach einer vordefinierten Sequenz selbst falten. „Wenn es darum geht, komplexe Formen zu schaffen, dann sollten einige Teile früher zusammenbrechen als andere“, erklärt Zadpor. „Deshalb mussten wir Zeitverzögerungen in das Material einplanen. Das nennt man sequentielle Formverschiebung“.

Langlebige Knochen-Implantate

Es gibt zwei Gründe, warum dieser kombinierte Ansatz von Origami und 3D-Druck ein wichtiger Schritt in der Entwicklung von besseren Knochenimplantaten ist. Erstens ermöglicht es die Technik, Prothetik mit einem porösen Inneren zu schaffen. Dadurch können die eigenen Stammzellen des Patienten in die Struktur des Implantats eindringen und sich an der inneren Oberfläche festsetzen, anstatt nur das Äußere zu beschichten. Das Endergebnis ist ein stärkeres, haltbareres Implantat.

Zweitens können mit dieser Technik Nanomuster, die das Zellwachstum steuern, auf der Oberfläche des Implantats hergestellt werden. „Wir nennen sie ‚lehrreichen Oberflächen‘, weil sie bestimmte Kräfte auf die Stammzellen ausüben und sie dazu veranlassen, sich zu den Zellen zu entwickeln, die sie sein sollen“, sagt PhD-Forscher Shahram Janbaz. „Eine Säulenform kann zum Beispiel dazu führen, dass Stammzellen zu Knochenzellen werden.“ Es ist unmöglich, solche instruktiven Oberflächen innerhalb einer 3D-Struktur zu erzeugen. „Deshalb haben wir entschieden, dass wir von einer flachen Oberfläche aus starten müssen“, so Zadpoor.

Sich selbst faltende Möbel

Während Knochenimplantate die naheliegende Anwendung für ihre Forschung sein können, glauben die Wissenschaftler, dass die Form-Shift-Technologie im Lauf der Zeit auch zu anderen Entwicklungen führen könnte. „Selbst die gedruckte Elektronik kann von unserer Forschung profitieren“, betont Zadpoor. „Mit dieser Technik ist es möglich, gedruckte 2D-Elektronik in eine 3D-Form zu integrieren“.

Zadpoor sieht auch die Möglichkeit, dass Kunden ein Regal kaufen, das nach dem Auspacken und dem Anwenden eines bestimmten Stimulus zu einem gebrauchsfertigen Möbelstück wird. „Shape Shifting könnte definitiv viele unserer bestehenden 2D-Welten in 3D-Welten verwandeln“, erklärt er. Das Interesse dazu, bestehe bereits.