Mit 3D-druckbarem Material lassen sich der Körper heilen, bessere Roboter bauen und wichtige Mineralien zurückgewinnen
Ein Netzwerk aus Milliarden winziger Wassertröpfchen kann innerhalb weniger Minuten große, gewebeähnliche Materialien bilden und eröffnet damit neue Möglichkeiten in einer Vielzahl von Bereichen
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Ein neuartiges, 3D-druckbares Material, das von Forschern der University of Texas at Austin entwickelt wurde, ahmt die Fähigkeit des menschlichen Gewebes nach, zu sortieren und zu filtern, sodass bestimmte Moleküle durchgelassen werden, während andere zurückgehalten werden. Dank dieser vielseitigen Funktion kann das Material in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen in der Medizin, der Wasseraufbereitung und der Robotik eingesetzt werden.
Aktuelle Verfahren zur Herstellung kleiner, gewebeähnlicher Materialien lassen sich laut den Forschern nicht auf Größen skalieren, die eine praktische Anwendung ermöglichen würden. Das Team überwand diese Probleme hinsichtlich Geschwindigkeit und Skalierbarkeit, indem es Milliarden winziger Wassertropfen mithilfe einfacher Misch- und Zentrifugentechniken dicht aneinanderpresste und so in nur wenigen Minuten große, gewebeähnliche Materialien bildete. Jedes Tröpfchen ist durch eine dünne Membran voneinander getrennt, wodurch sich die Membranen miteinander verbinden können – ähnlich wie bei der Zellorganisation im menschlichen Gewebe.
„Gewebe können Ionen und Moleküle trennen und transportieren; so funktionieren unsere Nieren oder unser Darm, die nur das aufnehmen, was sie benötigen, und den Rest zurücklassen“, sagte Manish Kumar, Professor am Fariborz-Maseeh-Lehrstuhl für Bau-, Architektur- und Umweltingenieurwesen sowie am McKetta-Lehrstuhl für Chemieingenieurwesen der Cockrell School of Engineering.
Das flexible Material lässt sich so anpassen, dass es sich wie verschiedene Gewebearten verhält. Da die Struktur echtes Gewebe genau nachahmt und aus biokompatiblen Materialien im 3D-Druck hergestellt werden kann, eignet sie sich als Gerüst für das Wachstum neuer Gewebe oder Organe. Die Flexibilität und Reaktionsfähigkeit machen es zu einer idealen Grundlage für weiche Roboter – Maschinen, die sich wie Lebewesen bewegen und anpassen –, die in der Chirurgie, bei Such- und Rettungsaktionen oder in gefährlichen Umgebungen eingesetzt werden könnten, in die herkömmliche Maschinen nicht vordringen können.
Durch die Zugabe bestimmter Proteine versahen die Forscher das Material mit der Fähigkeit, Ionenströme zu leiten, ähnlich wie Nervengewebe. Dies ist vielversprechend für den Bau von Computersystemen, die dem menschlichen Gehirn nachempfunden sind.
In einem anderen Fall fügten die Forscher ein Protein hinzu, das es dem Gewebe ermöglichte, Ammonium von anderen Ionen im Abwasser zu unterscheiden. Dazu gehören Wasser aus der Öl- und Gasförderung sowie kommunales Abwasser – ein Bereich, auf den sich Kumar in den letzten Jahren konzentriert hat. Die Fähigkeit, unerwünschte Ionen mithilfe von Membranen herauszufiltern, ist ein vielversprechender Ansatz für das Recycling und die Wiederverwendung wichtiger Mineralionen und Nährstoffe aus dem Abwasser.
Diese neue Forschung ist Teil einer mehr als ein Jahrzehnt umfassenden Arbeit. Doch es war eine seiner Studentinnen, Aida Fica, die alle Teile zusammenführte.
Nachdem Fica jahrelang mit denselben Herausforderungen – langsamer Bildung und Instabilität – zu kämpfen hatte, hörte sie auf einer Konferenz etwas, das ihr eine neue Idee gab. Sie und das Team erschlossen die Technologie durch Emulgierung, indem sie zwei Öle mit unterschiedlicher Löslichkeit zu Tröpfchen vereinigten und diese anschließend mit einer Zentrifuge zusammenpressten.
„Diese Technologie bietet nun ein einfaches, skalierbares Verfahren mit unzähligen Anwendungsmöglichkeiten, das in jedem Labor umgesetzt werden kann, da es nur eine Grundausstattung erfordert“, sagte Fica. „Wir ermutigen interessierte Forscher, dies auszuprobieren, und wir werden jeden, der auf diesem Gebiet arbeiten möchte, durch Besuche und Gespräche von ganzem Herzen unterstützen“, fügte Kumar hinzu.
Die Forscher arbeiten nun daran, die Technologie im Rahmen eines Projekts mit der Advanced Research Projects Agency–Energy des US-Energieministeriums so anzupassen, dass Lithium und andere Seltenerdelemente extrahiert werden können. Fica und Kumar haben die Technologie sowie mehrere nachgelagerte Anwendungen über das „Discovery to Impact“-Büro der UT patentieren lassen.
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