Spindelantrieb für 3D-Biodrucker | Um aus Zellen komplexere Strukturen und vor allem auch höhere Schichten zu drucken, wird erstens eine Stütze und zweitens ein geeigneter Drucker benötigt. Beides brachte das Projekt Robogel hervor. Eine Linearachse mit Spindelantrieb sorgt darin für die erforderliche Präzision.
Das Bioprinting ist ein additives Verfahren aus dem Tissue Engineering. Im Bioprinting-Projekt Robogel wollen die beteiligten Forscher dreidimensionale, lebende Gewebe mit Hilfe eines 3D-Druckers herstellen. Diesen galt es im Projekt auch zu entwickeln.
Mit Zellen beladene Hydrogele soll der Drucker Schicht für Schicht nach einem Modell auftragen. Die Zellen werden mit Signalmolekülen versorgt und in Nährmedium inkubiert, so dass sie sich teilen, wachsen und das gesamte Objekt aus der gewünschten Zellstruktur besteht.
Mit Hilfe des Bioprintings lassen sich prinzipiell komplexe 3D-Gewebe aus unterschiedlichen Materialien und mit verschiedenen Zelltypen aufbauen. Aufgrund der geringen Festigkeit des Hydrogels konnten mit der bisher verfügbaren Technik aber nur wenige hundert Mikrometer bis wenige Millimeter hohe Strukturen gefertigt werden, die eine ausreichende Maßhaltigkeit aufwiesen. Mit dem neuen Verfahren, das zum Patent angemeldet wurde, können nun mehrschichtige Hydrogelstrukturen im Zentimetermaßstab hergestellt werden. Die Idee dahinter, die zum Erfolg führte: Um hohe Zellkonstrukte zu stabilisieren und mit Nährstoffen zu versorgen, wird der Strukturaufbau in einer Stützflüssigkeit aus Fluorocarbon durchgeführt. Gedruckt wurden bisher nur reine Knorpelzellen, aber weitere Schritte sind geplant.
Da sich höhere Gewebe nicht aus nur einem Zelltyp herstellen lassen, wurde der im Kooperationsprojekt entwickelte 3D-Biodrucker so gestaltet, dass sich die Zelltypen parallel mit mehreren Druckköpfen zu einem Verbund drucken lassen. Denkbar wäre sogar die Herstellung von Blutgefäßen oder – langfristig – die Produktion ganzer Organe.
An dem vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Vorhaben Robogel haben Mitarbeiter vom Lehr- und Forschungsgebiet für Zahnärztliche Werkstoffkunde und Biomaterialforschung am Uniklinikum der RWTH Aachen und Ingenieure der Hitec Zang GmbH aus Herzogenrath zusammengearbeitet. Die Basis für die Entwicklung eines geeigneten Biodruckers war der Scibot, ein Laborroboter von Hitec Zang mit einer hochpräzisen Linearachse, die an zwei Trägern befestigt ist und ein Portal bildet. Am Läufer der Linearachse können Greifer, Werkzeuge oder eben Druckköpfe befestigt werden.
Bei dieser zentralen Baugruppe entschieden sich die Projektbeteiligten für eine TH90-Linearachse mit Kugelgewindetrieb aus der Produktfamilie Precision System, wie sie die Düsseldorfer Rollon GmbH anbietet. Vor dem Bau des Prototypen wurden Linearachsen mehrerer Anbieter verglichen. Den Ausschlag gab schließlich die hohe Positionier- und Wiederholgenauigkeit, die innerhalb von 5 µm liegt. Auch erzeugt die Linearachse ein hohes Anlaufmoment, ist kompakt gebaut und erreicht eine Verfahrgeschwindigkeit von bis zu 3 m*s-¹. Das Preis-Leistungsverhältnis war ein weiteres Kriterium. (op) ■
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