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(03/04/2020 / sbr)

Alles andere als oversized

Moderne Forschung benötigt immer kleinere und präzisere Bauteile. Auch in der Medizintechnik steigt die Bedeutung von Patienten-Spezifität, einem der Hauptargumente für additive Fertigung. Doch die Produktion von leistungsstarken Komponenten in Mikro- bis Mesogröße ist äußerst anspruchsvoll und lässt herkömmliche 3D-Druckverfahren schnell an ihre Grenzen stoßen. Genau das wollte das Gründerteam des Wiener Hightech- Unternehmens UpNano ändern. Das Ergebnis: Der NanoOne, ein ultraschneller hochauflösender 3D-Drucker, der nun eine neue Ära der additiven Mikrofertigung einläutet und selbst die Verarbeitung von lebenden Zellen ermöglicht. Der patentierte Prozess ist bis zu 100-mal schneller als der bisherige Marktstandard. Das ist ein entscheidender Aspekt, wenn es um biologische Anwendungen geht.

Klein, schnell und präzise

Um höchste Präzision zu erreichen, setzt die UpNano GmbH, die im vergangenen Jahr mit zahlreichen Forschungs- und Wirtschaftspreisen ausgezeichnet wurde, auf das Prinzip der 2-Photonen-Polymerisation (2PP). Dabei härtet ein Ultrakurzpuls-Laser Photopolymere direkt im Materialvolumen aus. Allerdings nur im Fokuspunkt – überall sonst bleibt es flüssig. Auf diese Weise lassen sich feinste Strukturdetails unterschiedlichster Formen in der Größenordnung von 100 Nanometer drucken.

Die Druckgeschwindigkeit konnte auf bis zu 20 mm3/h erhöht und damit die Herstellung von Mikrobauteilen erstmals auf eine wirtschaftliche Basis gestellt werden. Gleichzeitig wurde der NanoOne mit Unterstützung der WILD Gruppe und deren WIN-Netzwerkpartnern so optimiert, dass er als Desktopgerät selbst im kleinsten Labor eingesetzt werden kann. Dafür musste der optische Pfad überarbeitet werden, was eine Kettenreaktion an Änderungen mit sich brachte. Dieser Herausforderung stellte man sich in wöchentlichen Meetings, in denen die Entwicklungsschritte abgestimmt sowie neue Lösungsansätze geboren und umgesetzt wurden. „Aktuell besprechen wir die Serienüberleitung des Gerätes“, so WILD Business Developer Markus Woschitz.

Biokompatibles Drucken

Neben der Druckgeschwindigkeit ist das Anschließen eines Inkubators ein essenzieller Punkt, der es erlaubt, mit dem NanoOne auch Biomaterialien sowie Mischungen aus Polymeren und lebenden Zellen zu verdrucken. Der Inkubator sorgt dafür, dass die Zellen optimale Bedingungen vorfinden, um sich normal zu entwickeln: 37°C, einen Kohlenstoffdioxidgehalt von 5% und eine konstante Luftfeuchte. Die speziellen Bio-Tinten entwickelte UpNano in Zusammenarbeit mit einer belgischen Forschungsgruppe.

Damit sind der Druckprozess und die verwendeten Photopolymere biokompatibel. Lebende Zellen können also in das Material eingemischt und direkt verdruckt oder auf vorgefertigten, sterilen Strukturen angesiedelt werden, etwa für dreidimensionale in-vitro Zelltests, die in der Zellforschung, in der Geweberegeneration sowie in der pharmazeutischen Industrie an Bedeutung gewinnen. „Denn in einer dreidimensionalen Umgebung, die die natürliche Mikroumgebung der Zellen besser widerspiegelt, lässt sich ihr Verhalten viel besser studieren“, erklärt Denise Mandt, Mitgründerin von UpNano. „Außerdem können diese Strukturen direkt in einem Mikrofluidikchip gefertigt werden, was völlig neue Ansätze in der in-vitro Forschung ermöglicht.“

Erfolgreich im Einsatz ist der NanoOne seit 2019 beispielsweise an der Medizinischen Universität Wien. Hier beliefert der 3D-Drucker forschende Abteilungen mit Bauteilen im Mikro- und Mesomaßstab. Ein Projekt etwa befasst sich mit Oberflächen, die eine Besiedelung mit Bakterien verhindern und somit den Einsatz von Antibiotika reduzieren sollen.