Spritzen mit verschiedenen Biotinte-Formulierungen.
© Fraunhofer IGB
Spritzen mit verschiedenen Biotinte-Formulierungen.

Tinten und Materialien für 2D-/3D-Druck

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.

Leistungsangebot

  • Formulierung von Inkjet-Tinten auf wässriger oder Lösemittel-Basis
  • Biofunktionale Tinten
  • Zellhaltige Tinten
  • Nano- und mikropartikelhaltige Tinten
  • UV-vernetzbare Tinten
  • Leitfähige und Halbleiter-Tinten
  • Druck hochaufgelöster Strukturen
  • Laserdruck-Polymerpartikel für Biomaterialanwendungen

Anwendungen

  • Herstellung von medizinischen Assays, Schnelltests
  • Herstellung von Gewebemodellen für diagnostische und pharmakologische Tests
  • Herstellung personalisierter Implantate

Tintenmaterialien für den 3D-Druck

Datenschutz und Datenverarbeitung

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Hydrogelbasierte Materialien für die Tintenformulierung

 

Biofunktionale und zellhaltige Tinten

 

Partikelhaltige Tinten

Bioprinting.
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Bioprinting.

Hydrogelbasierte Materialien für die Tintenformulierung

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.

Anpassung der Oberflächenspannung von Inkjet-Tinten.
© Fraunhofer IGB
Anpassung der Oberflächenspannung von Inkjet-Tinten.

Biofunktionale und zellhaltige Tinten

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.

Gedruckte Partikelschichten im Druckwerk des Hochpräzisionsdruckers DMP 3000.
© Fraunhofer IGB
Gedruckte Partikelschichten im Druckwerk des Hochpräzisionsdruckers DMP 3000.

Partikelhaltige Tinten

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.

Referenzprojekte

Druckbare 3D-Matrices zur Herstellung von künstlichem Knorpel

 

Eine vielversprechende therapeutische Behandlung ist die matrixassoziierte autologe Chondrozytentransplantation (MACT), bei der ein geeignetes Trägermaterial (Matrix) zunächst mit Knorpelzellen (Chondrozyten) des Patienten besiedelt und dann in den Knorpeldefekt implantiert wird.

Dyna-Implant

Personalisierte orthopädische Implantate durch biomechanische Stimulierung von hybriden Materialien

 

Insbesondere aufgrund des demographischen Wandels nehmen Verletzungen oder altersbedingte Degeneration von Knorpelgewebe zu. Daraus ergibt sich ein großer Bedarf an personalisierten Therapien. Eine Lösung bietet die Herstellung von individuellen Knorpelimplantaten mithilfe additiver Verfahren. Für diesen Zweck entwickelt das Fraunhofer IGB gelatinebasierte hybride Hydrogele, welche die natürliche Gewebeumgebung von Knorpelzellen nachbilden und so die Biofunktionalität und Matrixproduktion der Zellen begünstigen.

TRIANKLE

Europäisches TRIANKLE-Projekt entwickelt personalisierte 3D-Biomaterialien für die Regeneration von Fußgelenksverletzungen

 

Entwickelt wird ein Herstellungsverfahren für personalisierte Implantate, die in der Therapie von Sehnen- und Gelenksverletzungen am Fuß eingesetzt werden können. Das Fraunhofer IGB formuliert und entwickelt die kollagen- und gelatinebasierten Biotinten, die für den 3D-Druck der personalisierten Implantate benötigt werden. Das IGVP der Universität Stuttgart erforscht die Vernetzungschemie und den 3D-Druck der am IGB entwickelten Biotinten. Hauptziel ist die Verkürzung der Genesungszeit um 50 Prozent bei Verbesserung der Funktionalität um 10-15 Prozent.