Forscherinnen und Forscher der Abteilung für Maschinenbau der McGill University und der Drexel University haben ein innovatives Fertigungsverfahren entwickelt, das es ermöglicht, die Rüssel oder Fütterungsschläuche weiblicher Mücken in hochauflösende 3D-Druckdüsen umzuwandeln.
Dank der besonderen geometrischen, strukturellen und mechanischen Eigenschaften des Rüssels können Linien mit einer Breite von 20 Mikrometern gedruckt werden. Das ist etwas kleiner als ein weißes Blutkörperchen und etwa doppelt so fein wie das, was mit derzeit auf dem Markt erhältlichen Druckdüsen erzeugt werden kann.
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Die Forscher tauften dieses Verfahren "Nekro-3D-Druck", bei dem eine tote biologische Mikrostruktur direkt als 3D-Druckwerkzeug verwendet wird. Zu den potenziellen Anwendungen gehören die Herstellung winziger Gerüste für das Zellwachstum oder das Tissue-Engineering, das Drucken von zellbeladenen Gelen sowie der Transfer mikroskopisch kleiner Objekte wie Halbleiterchips.
"Für hochauflösendes 3D-Drucken und die Mikrodispersion benötigt man ultrafeine Düsen, die normalerweise aus Metall oder speziellem Glas gefertigt werden", erklärt Jianyu Li, Mitautor der Studie, außerordentlicher Professor an der McGill University und Inhaber des Canada Research Chair in Tissue Repair and Regeneration. "Diese Düsen sind teuer und schwer herzustellen, bergen Gesundheitsrisiken und erzeugen Abfall."
"Die Mückenschnauzen ermöglichen es uns, extrem kleine und präzise Strukturen zu drucken, die mit herkömmlichen Werkzeugen schwer oder sehr teuer herzustellen sind. Da die biologischen Düsen biologisch abbaubar sind, können wir Materialien wiederverwenden, die sonst weggeworfen würden", fügt Changhong Cao hinzu, Mitautor der Studie, Assistenzprofessor an der McGill University und Inhaber des Canada Research Chair in Advanced Small-Scale Materials and Manufacturing in der Abteilung für Maschinenbau.
Die Studie wurde von Justin Puma, einem Doktoranden an der McGill University, geleitet. Justin hatte bereits an einer Studie zur Verwendung eines Mückenrüssels für biomimetische Zwecke mitgewirkt, die die Grundlage für diese Forschung legte.
Biologisch abbaubar und wiederverwendbar
Für die Entwicklung der Düsen untersuchte das Team Mikrodüsen, die aus Insekten hergestellt wurden, und stellte fest, dass der Rüssel der Mücke – eine winzige Mikronadel mit einer Breite von etwa der Hälfte eines menschlichen Haares – die beste Wahl war. Die Rüssel wurden von euthanasierten Mücken aus ethisch genehmigten Laborkolonien entnommen, die für biologische Forschungen an der Partnerinstitution Drexel University verwendet wurden.
Unter dem Mikroskop entfernten die Forscher sorgfältig den Fütterungsschlauch der Mücke. Anschließend befestigten sie diese biologische Nadel mit etwas Harz an der Spitze eines standardmäßigen Kunststoffdispensers. Sie charakterisierten die Geometrie und mechanische Festigkeit der Spitzen, maßen deren Drucktoleranz und integrierten sie dann in eine maßgefertigte 3D-Druckvorrichtung.
Einmal angeschlossen, wird der Rüssel zu der Öffnung, durch die der 3D-Drucker das Material ausstößt. Den Forschern gelang es, komplexe Strukturen in hoher Auflösung zu drucken, darunter eine wabenartige Struktur, ein Ahornblatt und biologische Gerüste, die Krebszellen und rote Blutkörperchen enthielten.
Die Idee, biotische Materialien in der Hightech-Fertigung zu verwenden, wurde von Forschungen im Bereich der Nekrobotik an der Rice University inspiriert. Während Cao an der Forschung zu Mikrodüsen arbeitete, diskutierte er mit Megan Creighton und Ali Afify, Forschern an der Drexel University, auch über ein anderes Mücken-bezogenes Projekt. Diese Gespräche führten das Team dazu, Rüssel für den 3D-Druck zu erforschen.
"Die Fortschritte im Bereich des Bio-Drucks helfen medizinischen Forschern, einzigartige therapeutische Ansätze zu entwickeln. Bei dem Bestreben, die Technologie zu verbessern, müssen wir auch danach streben, innovativ zu sein", sagte Megan Creighton, Mitautorin der Studie und Assistenzprofessorin für Chemie- und Bioingenieurwesen.
"Wir fanden heraus, dass der Mückenrüssel wiederholte Druckzyklen aushalten kann, solange der Druck innerhalb sicherer Grenzen bleibt. Bei richtiger Handhabung und Reinigung kann eine Düse mehrmals wiederverwendet werden", präzisiert Professor Cao.
"Durch die Verwendung biotischer Materialien als praktikable Ersatzstoffe für komplexe technische Komponenten ebnet diese Arbeit den Weg für nachhaltige und innovative Lösungen im Bereich der fortschrittlichen Fertigung und Mikrotechnik", schließt Professor Li.
Die Studie
Der Artikel "3D Necroprinting: Leveraging biotic material as the nozzle for 3D printing" von Justin Puma, Megan Creighton, Ali Afify, Jianyu Li, Changhong Cao et al. wurde in Science Advances veröffentlicht.
Die Forschung wurde finanziert durch den New Frontiers in Research Fund - Exploration Stream, das Discovery Grants Program des Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC), das Programme de soutien à la recherche pour la relève professorale des Fonds de recherche du Québec - Nature et technologies (FRQNT), den John R. Evans Leaders Fund der Canada Foundation for Innovation, das Canada Research Chairs Program und einen NOVA Grant - FRQNT-NSERC.
Quelle: McGill University