ÉTS Montreal setzt Puredyne-Druckkopf von ViscoTec für das Bioprinting von Hydrogelen ein
Puredyne-Druckkopf an einem 3D-Drucker der ÉTS in Montreal (Bildquelle: École de technologie supérieure (ÉTS))
Extrusionsbasiertes 3D-Bioprinting hat sich zu einem wichtigen Werkzeug in der regenerativen Medizin und im Tissue Engineering entwickelt. Mit dem Verfahren lassen sich komplexe dreidimensionale Strukturen für die biomedizinische Forschung herstellen. Die Verarbeitung moderner Biomaterialien stellt jedoch hohe Anforderungen an den Druckprozess, insbesondere wenn eine präzise und reproduzierbare Materialablage erforderlich ist.
Die Forschungsarbeiten werden von Professor Ali Ahmadi geleitet, Professorin Sophie Lerouge ist als Co-Projektleiterin beteiligt. Eine zentrale Rolle übernimmt die Doktorandin Sara Badr, die an der Entwicklung der Biomaterialien, der Integration des Druckprozesses sowie der experimentellen Validierung mitwirkt.
Geschäumte Hydrogele stellen hohe Anforderungen an den Druckprozess
Im Mittelpunkt der Arbeiten stehen geschäumte Hydrogele, eine Klasse von Biomaterialien für das Tissue Engineering und die regenerative Medizin. Ihre poröse Struktur kann den Transport von Sauerstoff und Nährstoffen unterstützen und günstige Bedingungen für Zellwachstum und Gewebeentwicklung schaffen.
Gleichzeitig stellen diese Materialien hohe Anforderungen an den Druckprozess. Aufgrund ihres komplexen viskoelastischen Verhaltens lassen sie sich nur schwer konstant verarbeiten. Bereits geringe Schwankungen im Materialfluss können die Ablage der Filamente beeinflussen und damit die Geometrie sowie die Qualität der gedruckten Struktur verändern. Deshalb eignen sich geschäumte Hydrogele gut, um Dosiertechnologien unter anspruchsvollen Bedingungen zu bewerten.
Dosiertechnik in die bestehende Plattform integriert
Anstatt ein neues Bioprinting-System zu entwickeln, integrierte das Forschungsteam den Puredyne-Druckkopf in die vorhandene Druckplattform. Dafür waren sowohl mechanische als auch softwareseitige Anpassungen erforderlich. Zur sicheren Befestigung des Druckkopfs entwickelte das Team eine individuelle Halterung, die im 3D-Druckverfahren hergestellt wurde. Zusätzlich wurden Software-Routinen programmiert, um die Kommunikation und Steuerung über die bestehende Betriebsumgebung des Druckers zu ermöglichen.
Ein zentrales Ziel des Projekts bestand darin, den Materialfluss während des Druckprozesses präzise zu steuern. Bei konventionellen Extrusionsverfahren kann – insbesondere bei hochviskoelastischen Formulierungen – unerwünschter Materialaustritt nach dem eigentlichen Dosiervorgang auftreten. Das kann die Druckgenauigkeit beeinträchtigen und damit die Übereinstimmung zwischen digitalem Design und gedruckter Struktur verringern.
Im Gegensatz zu druckluftbetriebenen Extrusionssystemen arbeitet der Puredyne-Druckkopf auf Basis des Endloskolben-Prinzips und fördert das Material volumetrisch. Das System ist für scherarmes, pulsationsfreies Dosieren über einen großen Viskositätsbereich ausgelegt und soll eine reproduzierbare Materialabgabe mit kontrolliertem Start und Stopp des Materialflusses ermöglichen. Auf diese Weise lässt sich unerwünschter Materialaustritt zwischen einzelnen Druckbewegungen reduzieren.
Erste Beobachtungen
Die quantitative Auswertung ist noch nicht abgeschlossen. Das Forschungsteam beobachtete jedoch einen saubereren Start und Stopp des Materialflusses, einen geringeren Materialnachlauf nach der Extrusion sowie eine präzisere Ablage. Nach Einschätzung der Forschenden verbesserte sich dadurch die Übereinstimmung zwischen geplanter und gedruckter Gerüstgeometrie.
„Eine konstante Kontrolle des Materialflusses ist beim Bioprinting entscheidend. Mit dem Puredyne Druckkopf können wir den Materialfluss sauberer starten und stoppen. Das verbessert die Platzierung und trägt dazu bei, dass die gedruckte Struktur ihrem digitalen Design genauer entspricht“, sagt Sara Badr, Doktorandin, Biomaterials and Biofabrication Laboratory, ÉTS.
Darüber hinaus zeigte das Projekt die Bedeutung der Dosierdynamik für Bioprinting-Anwendungen. Die Forschenden stellten fest, dass die Steuerung des Materialflusses, insbesondere beim Wechsel zwischen Extrusions- und Nicht-Extrusionsphasen, einen wesentlichen Einfluss auf die Druckgenauigkeit bei der Verarbeitung geschäumter und anderer viskoelastischer Hydrogele hat.
Bedeutung für Forschung und Anwendung
Für die ÉTS erweitert die Integration des Puredyne-Druckkopfs die Möglichkeiten, Biomaterialien mit hohen Anforderungen an Flussstabilität und Dosiergenauigkeit zu untersuchen. Da die Biofabrikation zunehmend komplexere Materialien und Strukturen verarbeitet, wird eine zuverlässige und reproduzierbare Materialablage für Prozessstabilität und Produktqualität wichtiger. Mögliche Einsatzfelder der Präzisionsdosiertechnik sieht das Projektteam in der Laborautomatisierung, der modernen Biofabrikation und zukünftigen biomedizinischen Fertigungsprozessen.
Erweiterung auf weitere Biomaterialien
Aufbauend auf den bisherigen Ergebnissen plant das Forschungsteam, ein breiteres Spektrum an Biomaterialien zu untersuchen, darunter auch zellbeladene Hydrogele. Künftige Arbeiten werden sich auf die quantitative Bewertung von Druckgenauigkeit und Wiederholbarkeit sowie auf Untersuchungen zur Biokompatibilität und Zellviabilität konzentrieren. Darüber hinaus soll die Herstellung größerer und komplexerer dreidimensionaler Strukturen evaluiert werden. Versuche mit zellbeladenen Materialien sollen zeigen, inwieweit die scherarme Dosierung die gewünschte Druckleistung unterstützt und gleichzeitig die Zellviabilität erhält. Im weiteren Verlauf des Projekts möchten die Forschenden genauer untersuchen, wie eine präzise Flusskontrolle zuverlässige und skalierbare Bioprinting-Prozesse für zukünftige biomedizinische Anwendungen unterstützen kann.
