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Neuartige additive Fertigungsprozesse werden derzeit in einer Vielzahl von Forschungsfeldern bearbeitet. Unter den etablierten Drucktechniken bietet der Inkjet‑Druck eine hochattraktive Technik, um flächig oder dreidimensional Strukturen zu erzeugen, die zuvor am Rechner entworfen werden.
Im Zentrum unserer Arbeiten steht die Entwicklung geeigneter Tintenformulierungen, um vielfältige Funktionskomponenten wie Hydrogele, Nano- und Mikropartikel, Proteine und Zellen zu verarbeiten.
Zur Einstellung der Viskosität und Oberflächenspannung funktioneller Tinten werden die Eigenschaften der Funktionskomponenten angepasst. Je nach Anforderung werden wässrige oder lösemittelbasierte Tinten hergestellt. Für Anwendungen im Tissue Engineering werden beispielsweise initiatorfrei vernetzende biokompatible Hydrogele entwickelt und Biomoleküle, durch chemische Modifizierung mit vernetzbaren Gruppen oder Funktionalitäten, zur Steuerung der Löslichkeitseigenschaften und Viskosität ausgestattet.
Für optimale Druckergebnisse werden unterschiedliche Substratmaterialien nasschemisch oder mittels Plasmatechnologie vorbehandelt, um ein optimales Druckbild zu erhalten.
Folgende Beispiele für Tinten stehen in unserem Fokus:
Für den 2D‑/3D‑Druck werden am Fraunhofer IGB beispielsweise initiatorfrei vernetzende biokompatible Hydrogele entwickelt und Biopolymere durch chemische Modifizierung mit vernetzbaren Gruppen oder Funktionalitäten ausgestattet. Hierdurch können die Löslichkeitseigenschaften und die Viskosität gesteuert und eine Anpassung an die unterschiedlichen Anforderungen von additiven Verfahren wie Inkjet‑Druck oder pneumatischem Dispensieren ermöglicht werden.
Biopolymere wie Gelatine, Hyaluronsäure und Chondroitinsulfat wollen wir zur Modifizierung von Oberflächen und für den Aufbau von dreidimensionalen Gewebemodellen nutzbar machen. Um die physikalisch‑chemischen Eigenschaften von Biomolekülen und Hydrogelen zu kontrollieren, koppeln wir chemische Funktionen wie vernetzbare Methacrylgruppen, Thiogruppen und Benzophenone an die Biopolymere und maskieren funktionelle Gruppen, die für das Gelieren der Materialien verantwortlich sind.
In Kooperation mit dem IGVP der Universität Stuttgart entwickeln wir auch druck- und vernetzbare zellverträgliche Polyethylenglykole.
Enthalten die Tinten biologische Materialien wie Biomoleküle, Zellen, Gewebepräparationen oder biokompatible Materialien, können die gedruckten Strukturen eine biologische Funktion erfüllen. Das Biomaterial in seiner unvernetzten, druckbaren Form wird als Biotinte bezeichnet. Die Zusammensetzung dieser Tinten hängt hierbei von der entsprechenden späteren Anwendung ab. So können Biotinten mit und ohne Zellen formuliert werden.
Biotinten für Anwendungen im Tissue Engineering werden durch gezielte Variation der Zusammensetzung für den Druckprozess und gleichzeitig für die Förderung gewebespezifischer Funktionen optimiert. Auf Basis des verfügbaren Materialbaukastens haben wir bereits erfolgreich »Knochentinten« und »Vaskularisierungstinten« hergestellt. Beide Biotinten sind Dispersionen aus Biomolekülen und gewebetypischen Zellen, die sich über Dispensierprozesse stabil in eine 3D‑Struktur bringen lassen.
Proteinhaltige Biotinten sollen unter Erhalt der nativen Funktionalität der Proteine verarbeitbar sein. Dies erreichen wir durch Verwendung von wasserlöslichen und proteinkompatiblen Komponenten. Diese Tinten können beispielsweise eingesetzt werden, um bestimmte Bereiche auf einem Substrat für die Adhäsion unterschiedlicher Zelltypen attraktiv zu gestalten.
Nanopartikel besitzen das Potenzial, eine Vielzahl von Funktionen transportieren zu können: Sowohl die Eigenschaften der Partikelschale wie beispielsweise die Ausstattung mit bestimmten chemischen Gruppen als auch die Beladung des Partikelkerns mit Farbstoffen oder aktiven Komponenten, welche nach dem Druck zum Beispiel in Kontakt mit Wasser freigegeben werden, können zur systematischen Gestaltung von Materialeigenschaften beitragen. Zur gezielten und strukturierten Applikation von Suspensionen aus funktionalen Nanopartikeln erarbeiten wir am Fraunhofer IGB inkjettaugliche Formulierungen. Für die Beschichtung von Oberflächen mit elektrisch geladenen Nanopartikeln haben wir beispielsweise eine auswaschbare, wasserbasierte Tinte entwickelt. Diese Tinten könnten ihre Anwendung in der Herstellung sensitiver Schnelltests auf Basis von Nucleinsäure‑Microarrays finden.
Die generative Fertigung neuer Produkten nimmt in Forschung und Entwicklung bereits im Labormaßstab eine große Rolle ein. Hierfür verfügt das Fraunhofer IGB über Anlagen zur Aufskalierung und Weiterentwicklung im Bereich der Prägeverfahren sowie der additiven Verfahren.
Prägeverfahren können am Fraunhofer IGB im Batch-Prozess mittels Heißpresse stattfinden, oder auch in kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle Verfahren.
Für additive Verfahren stehen Inkjet-Drucker und Dispenser zur Verfügung. Die vorhandene Verfahrenstechnik wird dafür genutzt, um gezielt auf die neusten Anforderungen zu reagieren.
Die Entwicklung von Biomaterialien erfordert mitunter die flexible Funktionalisierung von Oberflächen, wie zum Beispiel das Nebeneinander von zelladhäsiven und zellabweisenden Arealen oder die Kombination von hydrophilen und hydrophoben Bereichen bei der Herstellung von Mikrofluidik-Testsystemen.
Mithilfe digitaler Druckverfahren wie Inkjet-Druck oder Laser Induced Forward Transfer (LIFT) können Materialschichten direkt, das heißt ohne die aufwendige Fertigung von Masken, in beliebig programmierbaren Mustern auf Oberflächen aufgetragen werden.
Am Fraunhofer IGB entwickeln wir inkjettaugliche Tinten für die Beschichtung von Oberflächen mit biologischen und biofunktionalen Materialien wie zum Beispiel Proteinen oder wirkstoffbeladenen, degradierbaren Partikeln. Für die Produktion von funktionalen Schichten mit Auflösungen im Mikrometerbereich steht der Hochpräzisions-Inkjetdrucker DMP 3000 (Fujifilm Dimatix, USA) zur Verfügung.
Wir drucken beispielsweise vernetzbare Polymere und erzeugen so mikrostrukturierte Hydrogele, welche an sich hydrophile Bereiche bilden – zusätzlich jedoch auch Partikel auf der Oberfläche fixieren oder direkt als Wirkstoffreservoir dienen können. Für Tinten zur Markierung von Medizinprodukten oder Lebensmitteln stehen FDA-zugelassene Farbstoffe zur Verfügung. Zelladhäsive Bereiche können durch die Belegung mit Proteinen oder einfachen organischen Linkern erzeugt werden.
Neuartige additive Fertigungsprozesse werden derzeit in einer Vielzahl von Forschungsfeldern bearbeitet. Unter den etablierten Drucktechniken bietet der Inkjet-Druck eine hochattraktive Technik, um in der Fläche oder dreidimensional Strukturen zu erzeugen, die zuvor am Rechner entworfen werden.
Der digitale Inkjet-Druck erzeugt dabei kleine, gleichmäßig große Tröpfchen, die als Mikrobausteine eingesetzt werden können. Damit lassen sich auf innovative Weise ortsaufgelöste Strukturen neuer, aber auch bekannter Materialien erzeugen. Daher fokussiert das Fraunhofer IGB seine Forschung auf den Inkjet-Druck als Fertigungswerkzeug zur Individualisierung von Produktionsprozessen.
Im Zentrum unserer Arbeiten steht die Entwicklung geeigneter Tintenformulierungen, um vielfältige Funktionskomponenten wie Hydrogele, Nanopartikel, Proteine und leitfähige Materialien zu verarbeiten.
Die Kombination von Inkjet-Druck und bekannter Polyurethan-Chemie hat ein hohes Potenzial für die zukünftige Herstellung von Funktionsmaterialien. Derzeit konzentrieren wir uns auf die Herstellung von Polyurethan-Schaumstoffen mittels Zwei-Komponenten-Reaktiv-Inkjet-Druck. Dabei werden zwei Tinten (isocyanatfunktionale und beispielsweise hydroxyfunktionale Tinte), die jeweils eine reaktive Komponente enthalten, getrennt in einem Verfahren schichtweise gedruckt. Die hydroxyfunktionale Tinte enthält ein Polyethylenglykol (PEG) als Hauptträger, kombiniert mit einem Vernetzer und Katalysatoren. Die zweite Tinte enthält die reine Isocyanatverbindung Hexamethylendiisocyanat, um durch chemische Reaktion die poröse Polyurethanstruktur zu erhalten. Mit diesem Verfahren ist es uns erstmals gelungen, ohne weitere mechanische Vermischung der beiden reaktiven Tinten, Polyurethanschäume herzustellen. Durch Variation der Tinten ist es denkbar, ortsaufgelöst unterschiedlich definierte Oberflächeneigenschaften in situ zu erzielen.
Literatur
Biomoleküle der extrazellulären Matrix können auch im Bereich pharmazeutischer und kosmetischer Formulierungen zum Einsatz kommen.
Gelatine als tierisches Nebenprodukt hat auch vielfache technische Anwendungspotenziale.
Wir bieten Entwicklung, Beratung und Technologietransfer zu unseren Materialentwicklungen.
Funktionelle Gruppen für Quervernetzung
Funktionelle Gruppen zur Maskierung physikalischer Wechselwirkungen
Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB