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3D-Druckertinte aus dem Wald

Gedruckte 3D-Strukturen aus Cellulose-Nanokristallen

31.05.2017

Empa

Stäbchenförmige Cellulose-Nanokristalle von rund 120 Nanometer Länge und 6.5 Nanometer Durchmesser unter dem Mikroskop.

Forschern der Empa ist es gelungen, eine umweltfreundliche Tinte aus Cellulose-Nanokristallen für den 3D-Druck zu entwickeln. Dadurch lassen sich Mikrostrukturen mit herausragenden mechanischen Eigenschaften herstellen, die für Implantate und andere biomedizinische Anwendungen äusserst viel versprechend sind.

Um 3D-mikrostrukturierte Materialien etwa für Automobilkomponenten herzustellen, verwenden Empa-Forscher seit einem Jahr eine 3D-Druckmethode namens «Direct Ink Writing» (DIW). Dabei wird eine zähflüssige Masse – die Druckertinte – aus der Druckdüse gepresst und auf einer Oberfläche abgeschieden, in etwa so wie bei einer Nudelpresse. Den Empa-Forschenden Gilberto Siqueira und Tanja Zimmermann aus der Abteilung für Angewandte Holzforschung ist es nun zusammen mit Kollegen der Harvard University und der ETH Zürich gelungen, eine neue, umweltfreundliche 3D-Druckertinte aus Cellulose-Nanokristallen (CNC) zu entwickeln.

Cellulose ist nebst Lignin und Hemicellulose 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, die wir mittels Säure aufreinigen können, benötigen wir für unsere Forschung», erklärt Siqueira. Das Endprodukt sind Cellulose-Nanokristalle, stäbchenartige Gebilde von 120 Nanometer Länge und 6.5 Nanometer Durchmesser. Und genau daraus wollten die Forscher eine neuartige, umweltfreundliche 3D-Tinte entwickeln. Bisherige Tinten enthalten mit maximal 2.5 Prozent CNC einen eher kleinen «biologischen» Anteil. Diese Menge wollte das Empa-Team erhöhen – was ihnen nun gelungen ist: Die neuen Tinten enthalten satte 20 Prozent CNC.

«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 ersten CNC-Mixturen basierten auf Wasser. Das funktioniert zwar grundsätzlich, lieferte jedoch ein recht sprödes Material. Daher haben Siqueira und Co. eine zweite Rezeptur auf Polymerbasis entwickelt – mit einem entscheidenden Vorteil: Nach dem Drucken und nach Aushärten mittels UV-Bestrahlung hatten sich CNC mit den Polymerbausteinen «quervernetzt», wodurch das Verbundmaterial eine deutlich höhere mechanische Festigkeit aufwies.

Wie man zusammenbringt, was sich nicht mag

Was sich im Nachhinein so einfach anhört, hat das Empa-Team indes eine Menge Kopfzerbrechen bereitet. Siqueira: «Die allermeisten Polymere sind wasserabweisend oder hydrophob, Cellulose hingegen wasserliebend – hydrophil. Folglich sind sie von Natur aus nicht sehr kompatibel.» Daher mussten die Forschenden die CNC-Oberfläche zunächst einmal chemisch verändern

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.

Vielseitige Möglichkeiten

Diese hervorragenden mechanischen Eigenschaften stellen einen entscheidenden Vorteil gegenüber anderen Materialien wie Kohlefasern dar, die ebenfalls in DIW-Tinten verwendet werden. Kommt dazu, dass die neuartige Tinte aus den Empa-Laboren aus einem erneuerbaren Material, Cellulose, besteht. «Cellulose ist das am häufigsten vorkommende natürliche Polymer der Erde», so Siqueira. Es kommt nicht nur in Bäumen, sondern auch in anderen Pflanzen und sogar in Bakterien vor. Die aus verschiedenen Cellulosequellen isolierten Kristalle unterscheiden sich dabei morphologisch und in ihrer Grösse, nicht aber in ihren Eigenschaften. Und die könnten etwa in der Automobilindustrie oder für Verpackungen jeglicher Art interessant sein. «Das für mich wichtigste Anwendungsgebiet liegt allerdings in der Biomedizin», so Siqueira, «zum Beispiel für Implantate oder Prothesen.» Das CNC-Material ermöglicht durch seine herausragenden mechanischen Eigenschaften sowie die Möglichkeit der chemischen Modifizierung und der Ausrichtung während des Druckens zahlreiche unterschiedliche Anwendungen, ist der Empa-Forscher überzeugt.

Diese Möglichkeiten werden an der Empa derzeit weiter erforscht. Zurzeit fokussiert sich ein Doktorand auf die Weiterentwicklung des Materials und der Druckmethode für andere Anwendungen. Ausserdem soll ein Master-Student weitere biobasierte Tinten entwickeln. «Die Forschung auf diesem Gebiet beginnt gerade erst», so Gilberto Siqueira. «Drucken mit Biopolymeren ist zurzeit ein echt heisses Thema.»

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