{"id":43350,"date":"2017-06-12T06:42:20","date_gmt":"2017-06-12T04:42:20","guid":{"rendered":"https:\/\/rss.nova-institut.net\/public.php?url=http%3A%2F%2Fwww.innovations-report.de%2Fhtml%2Fberichte%2Fbiowissenschaften-chemie%2F3d-druckertinte-aus-dem-wald.html"},"modified":"2017-06-01T11:50:32","modified_gmt":"2017-06-01T09:50:32","slug":"3d-druckertinte-aus-dem-wald","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/3d-druckertinte-aus-dem-wald\/","title":{"rendered":"3D-Druckertinte aus dem Wald"},"content":{"rendered":"

Forschern der Empa ist es gelungen, eine umweltfreundliche Tinte aus Cellulose-Nanokristallen f\u00fcr den 3D-Druck zu entwickeln. Dadurch lassen sich Mikrostrukturen mit herausragenden mechanischen Eigenschaften herstellen, die f\u00fcr Implantate und andere biomedizinische Anwendungen \u00e4usserst viel versprechend sind.<\/strong><\/p>\n

\"CCC,Um 3D-mikrostrukturierte Materialien etwa f\u00fcr Anwendungen in Verbundwerkstoffen herzustellen, verwenden Empa-Forscher seit einem Jahr eine 3D-Druckmethode namens \u00abDirect Ink Writing\u00bb (DIW, siehe Kasten). Dabei wird eine z\u00e4hfl\u00fcssige Masse \u2013 die Druckertinte \u2013 aus der Druckd\u00fcse gepresst und auf einer Oberfl\u00e4che abgeschieden, in etwa so wie bei einer Nudelpresse. Den Empa-Forschenden Gilberto Siqueira und Tanja Zimmermann aus der Abteilung f\u00fcr Angewandte Holzforschung ist es nun zusammen mit KollegInnen der Harvard University und der ETH Z\u00fcrich gelungen, eine neue, umweltfreundliche 3D-Druckertinte aus Cellulose-Nanokristallen (CNC) zu entwickeln.<\/p>\n

\"St\u00e4bchenf\u00f6rmige
St\u00e4bchenf\u00f6rmige Cellulose-Nanokristalle von rund 120 Nanometer L\u00e4nge und 6.5 Nanometer Durchmesser unter dem Mikroskop. (Bild: Empa)<\/figcaption><\/figure>\n

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. \u00abDie Stellen mit h\u00f6herer Ordnung erscheinen in kristalliner Form. Und genau diese Abschnitte, die wir mittels S\u00e4ure aufreinigen k\u00f6nnen, ben\u00f6tigen wir f\u00fcr unsere Forschung \u00bb, erkl\u00e4rt Siqueira. Das Endprodukt sind Cellulose-Nanokristalle, st\u00e4bchenartige Gebilde von 120 Nanometer L\u00e4nge 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 \u00abbiologischen\u00bb Anteil. Diese Menge wollte das Empa-Team erh\u00f6hen \u2013 was ihnen nun gelungen ist: Die neuen Tinten enthalten satte 20 Prozent CNC.<\/p>\n

\u00abDie gr\u00f6sste Herausforderung bestand darin, eine visko-elastische Konsistenz zu erreichen, die auch durch die D\u00fcsen des 3D-Druckers gepresst werden kann\u00bb, sagt Siqueira. Die Tinte muss also \u00abz\u00e4h\u00bb genug sein, damit das gedruckte Material auch vor dem Trocknen oder H\u00e4rten \u00abin Form\u00bb bleibt und nicht sofort wieder zerfliesst. Die ersten CNC-Mixturen basierten auf Wasser. Das funktioniert zwar grunds\u00e4tzlich, lieferte jedoch ein recht spr\u00f6des Material. Daher haben Siqueira und Co. eine zweite Rezeptur auf Polymerbasis entwickelt \u2013 mit einem entscheidenden Vorteil: Nach dem Drucken und nach Aush\u00e4rten mittels UV-Bestrahlung hatten sich CNC mit den Polymerbausteinen \u00abquervernetzt\u00bb, wodurch das Verbundmaterial eine deutlich h\u00f6here mechanische Festigkeit aufwies.<\/p>\n

Wie man zusammenbringt, was sich nicht mag<\/h3>\n

Was sich im Nachhinein so einfach anh\u00f6rt, hat das Empa-Team indes eine Menge Kopfzerbrechen bereitet. Siqueira: \u00abDie allermeisten Polymere sind wasserabweisend oder hydrophob, Cellulose hingegen wasserliebend \u2013 hydrophil. Folglich sind sie von Natur aus nicht sehr kompatibel.\u00bb Daher mussten die Forschenden die CNC-Oberfl\u00e4che zun\u00e4chst einmal chemisch ver\u00e4ndern<\/p>\n

Nach den ersten Druckversuchen und der R\u00f6ntgenanalyse 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 Druckerd\u00fcse gedr\u00fcckt wird, ausreicht, um diese derart zu ordnen. \u00abDass man die Ausrichtung der Nanokristalle steuern kann, ist sehr interessant, zum Beispiel, wenn man etwas drucken m\u00f6chte, das eine spezifische Festigkeit in einer bestimmten Richtung haben soll\u00bb, sagt Siqueira.<\/p>\n

Vielseitige M\u00f6glichkeiten<\/h3>\n
\"Ein
Ein mit der Cellulose-Tinte gedruckter Kieferknochen<\/figcaption><\/figure>\n

Diese hervorragenden mechanischen Eigenschaften stellen einen entscheidenden Vorteil gegen\u00fcber 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. \u00abCellulose ist das am h\u00e4ufigsten vorkommende nat\u00fcrliche Polymer der Erde\u00bb, so Siqueira. Es kommt nicht nur in B\u00e4umen, sondern auch in anderen Pflanzen und sogar in Bakterien vor. Die aus verschiedenen Cellulosequellen isolierten Kristalle unterscheiden sich dabei morphologisch und in ihrer Gr\u00f6sse, nicht aber in ihren Eigenschaften. Und die k\u00f6nnten etwa in der Automobilindustrie oder f\u00fcr Verpackungen jeglicher Art interessant sein. \u00abDas f\u00fcr mich wichtigste Anwendungsgebiet liegt allerdings in der Biomedizin\u00bb, so Siqueira, \u00abzum Beispiel f\u00fcr Implantate oder Prothesen.\u00bb Das CNC-Material erm\u00f6glicht durch seine herausragenden mechanischen Eigenschaften sowie die M\u00f6glichkeit der chemischen Modifizierung und der Ausrichtung w\u00e4hrend des Druckens zahlreiche unterschiedliche Anwendungen, ist der Empa-Forscher \u00fcberzeugt.<\/p>\n

Diese M\u00f6glichkeiten werden an der Empa derzeit weiter erforscht. Zurzeit fokussiert sich ein Doktorand auf die Weiterentwicklung des Materials und der Druckmethode f\u00fcr andere Anwendungen. Ausserdem soll ein Master-Student weitere biobasierte Tinten entwickeln. \u00abDie Forschung auf diesem Gebiet beginnt gerade erst\u00bb, so Gilberto Siqueira. \u00ab Drucken mit Biopolymeren ist zurzeit ein echt heisses Thema.\u00bb
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