Anwendungsberichte

Fachwissen zum Thema Bioprinting
Puredyne® Druckkopf mit einer Bio ink

3D-Druck einer Bioink-Vene gelingt souverän und verlustfrei

Puredyne® Druckköpfe geben dem Anwender die notwendige Flexibilität in Umgang mit Biotinten

Wer in Richtung Bioink forscht, weiß: Die Entwicklung einer gut druckbaren Tinte ist nicht einfach und vor allem kostenintensiv. In einem komplexen Prozess verbinden sich Wasser und ein Biopolymer zu einem Hydrogel. Nur wenn dieses Gel für den Druck optimiert ist, kann die mechanische Stabilität eines gedruckten Objektes gewährleistet werden.

Wollen Forscher für biotechnologische Anwendungen oder Start-ups für Bioprinter ihr gesamtes Know-how nutzbar machen, sind vor allem beim wesentlichen Prozessschritt – dem Druck – bei der Technologieauswahl, einige Punkte zu beachten. Zum einen müssen die Druckköpfe optimal auf die spezifischen Eigenschaften einer Bioink ausgelegt sein, damit Druckversuche präzise und verlustfrei gelingen. Zum anderen müssen sie effizient sein, um es schlussendlich vom Labormaßstab in die Serie zu schaffen. Puredyne® stellt eine solche Drucktechnologie bereit, die kürzlich für den Druck eines Venenmodells zum Einsatz kam. Die technologische Herausforderung bestand darin, die feinen Aderstrukturen präzise mit Start- und Stopppunkten zu drucken. Inzwischen haben sich eine Vielzahl biologischer Tinten etabliert.

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So werden z. B. künstliche Modelle aus Lebendgewebe 3D-gedruckt, die ein Gerüst bilden, an dem sich lebende Zellen anheften und vermehren können. Die präzise Applikation über den Puredyne® Druckkopf vermeidet Materialverluste der kostenintensiven Bioink, was Forschern zugute und für Anlagenbauer häufig eine Kundenanforderung ist. Die konstruktive Auslegung der Exzenterschnecke verhindert ein Deformieren der Zellen während des Drucks, was die Qualität sichert. Die Tatsache, dass Puredyne® Druckköpfe nicht nachtropfen und darüber hinaus durch die volumetrische Förderung eine Nadelverstopfung verhindert wird, macht Forschung effizient und sichert belastbare, reproduzierbare Ergebnisse. Ein Skalieren vom Labormaßstab in die Produktion wird erleichtert. Unterstrichen wird die Prozesssicherheit zudem durch eine intuitive Handhabung von Druckkopf und Prozess und die kontinuierlich gleichbleibende Druckqualität – optimal für eine Fertigung in Serie. Diese Fakten machen Puredyne®-Produkte zu einer flexiblen Lösung, um bei der Materialentwicklung schnell, volumetrisch exakt und viskositätsunabhängig zu drucken.

Puredyne bei der Dosierung einer leitfähigen Paste

Bioprinting: Herausforderung hochgefüllte Pasten

Puredyne sichert maximale Präzision beim Druck leitfähiger Pasten und Tinten

Zwar ist der Druck kompletter funktionsfähiger Organe noch Zukunftsmusik, doch Forschung und Entwicklung von klinischen Bioprinter-Applikationen machen große Fortschritte. Damit der Druckprozess organischer Substanzen weiter verbessert werden kann und sich der dreidimensionale Aufbau lebendiger Zellen Schicht für Schicht als Verfahren der Zukunft etablieren kann, bedarf es neuer Technologien.

Es ist davon auszugehen, dass der Weg von Modellen im Labor zu klinischen Studien und funktionsfähigen Organen maßgeblich auch durch die Präzision der Dosiertechnologien beeinflusst wird, da die verwendeten Materialien in Entwicklung und Herstellung sehr kostenintensiv sind. Aktuell bieten sich Bioprinter-Herstellern zwei Optionen für extrusionsbasierte Systeme. Zum einen Zeit-Druck-Systeme, die mittels Luftdruck das Biomaterial aus einer Kartusche pressen; zum anderen solche, die sich der Kolbenextrusion bedienen. Dieses Spektrum wird durch die Extrusion mit dem Endloskolbenprinzip um ein hochpräzises Verfahren erweitert. So hat ViscoTec unter der Marke „Puredyne“ eigens einen Druckkopf für das Bioprinting entwickelt, der unter dem Handelsnamen Puredyne® kit b verfügbar ist.

 

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Die Anwendung fokussiert dabei neben den klassischen Biomaterialien unter anderem die präzise und verlustfreie Dosierung von leitfähigen Pasten und Tinten, wie sie beispielsweise für die Übertragung von elektrischen Signalen zwischen Nervenzellen im Labor zur Anwendung kommen. Zudem sollen leitfähige Tinten für die Anregung von Muskelkontraktionen zum Einsatz kommen. Die Idee: Zellen werden gezielt elektrischen Impulsen ausgesetzt. Durch diese Stimulierung kann ein funktionaler Muskel entstehen.

Kostenfalle Totraum

Eine große Herausforderung bei der Verwendung von leitfähigen Pasten besteht darin, die elektrischen Leiterbahnen präzise in das Modell einzubringen. Damit das auch unter wirtschaftlichen Aspekten gelingt, müssen Faktoren wie Totraum der Dosiereinheit, der Partikelfüllgrad des zu dosierenden Stoffes und die Präzision der Dosiertechnologie mit in den Entscheidungsprozess über die richtige Dosiertechnologie einfließen. Je geringer der Totraum ist, umso weniger Abfall bleibt in der Dosierkomponente zurück. Ist wie bei Puredyne nahezu kein Totraum vorhanden, kann fast das gesamte Rohmaterial verarbeitet werden. Anwender nutzen dann die kostenintensiven Materialien effektiv. Zudem beeinflusst es den Prozess positiv, wenn die Partikel der leitfähigen Pasten keinen Einfluss auf die Dosierkomponenten und deren exakte Funktionalität haben. Fast immer erzeugen solche Partikel abrieb. Die Dosiertechnologie darf einerseits durch den Partikelabrieb nicht in ihrer Funktion beeinträchtigt werden, andererseits müssen die Partikel auch immer die Leitfähigkeit der Paste garantieren. Zusätzlich ist – nicht nur unter budgetären Gesichtspunkten – absolute Präzision beim Auftragen der extrudierten Linie auf der Leiterbahn erforderlich. Nur wenn diese Linie nicht in der Breite schwankt und über einen exakten Start- und Stopppunkt verfügt, erfüllt die Leiterbahn ihre Funktion.

Der Puredyne®-Druckkopf wurde entwickelt, um die genannten Faktoren beherrschbar zu machen: Das neuartige Single-Use Design ist nahezu totraumfrei und garantiert maximale Materialausnutzung.

Die eingesetzte Endloskolbentechnologie gewährleistet auch das souveräne Dosieren hochgefüllter Pasten. So lassen sich hochpräzise Ergebnisse erzielen und durch den einstellbaren Rückzug exakte Start-Stopp Punkte fertigen. Die scherarme und pulsationsfrei Dosierung führt zu ener konstanten Linienbreite mit einer möglichen Auflösung unter 200 µm. Das folgende Video verdeutlicht die Eigenschaften der Puredyne-Technologie und deren Potenzial.

https://www.youtube.com/watch?v=vebw4J8rcsc

3D Bioprinting mit Alginat

Perfekte Konturen, feine Linien, saubere Start- / Endpunkte mit Puredyne®

Alginat ist eines der am häufigsten verwendeten Materialien im Bioprinting. Neben relativ günstigen Materialkosten sind auch die mechanischen Eigenschaften und die Druckbarkeit ein Pluspunkt für das Material. Mit bestehenden Extrusionssystemen wie pneumatischer Auspressung oder Spritzenextrusion können jedoch Unregelmäßigkeiten beim Bioprinting der Modelle durch Prozess-Schwankungen entstehen. Mit dem Puredyne® kit b gehören diese Probleme der Vergangenheit an.

Alginat als universelles Hydrogel

In einer Vielzahl von Studien wird Alginat als Basis für Bioinks verwendet. Sowohl reines (Natrium-)Alginat in Lösung als auch chemisch modifizierte Varianten bilden den größten Anteil an wissenschaftlich erforschten Hydrogelen. Oxidiertes Alginat soll beispielsweise dazu beitragen, dass beigemischte Zellen schneller Bewegungsfreiheit durch degradierendes Alginat erhalten. Hingegen ermöglicht methacryliertes Alginat die Photopolymerisation und damit andere Druckverfahren, die auf der Aushärtung durch Photonen beruhen. Die große Beliebtheit von Alginat rührt nicht nur von den günstigen mechanischen und chemischen Eigenschaften her. Auch auf biologischer Ebene bietet das Hydrogel den Vorteil sehr guter Biokompatibilität und ist damit universell einsetzbar.

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Welche mechanischen Probleme treten bei der additiven Fertigung von Alginat auf?

Um Alginat zu verdrucken, stehen mehrere Möglichkeiten zur Verfügung. Neben lichtbasierten Verfahren, die mit modifiziertem Alginat möglich sind, bilden extrusionsbasierte Verfahren den größten Anteil des biologischen 3D-Drucks. Die Extrusion der Biotinten erfolgt derzeit im Wesentlichen auf zwei unterschiedliche Arten.

  • Pneumatische Extrusion: Mithilfe von Luftdruck wird ein Stopfen in einer Kartusche vorwärtsgetrieben. Der Druck sorgt für die Ausbildung eines Materialstrangs an der angeschlossenen Dosiernadel. Der Vorteil von pneumatischer Extrusion ist die Einfachheit des Systems. Ein kontrollierter Fadenabriss wird jedoch durch fehlenden Rückzug des Materials erschwert. Die Druckluft kann lediglich selektiv an- und ausgeschaltet werden. Vor allem bei nicht entgastem Material tritt ein Nachtropfen auf, das nicht kompensiert werden kann. Ein weiterer nicht zu unterschätzender Nachteil ist die Abhängigkeit von externen Einflussfaktoren. Dazu zählen beispielsweise der umgebende Luftdruck, die Umgebungstemperatur und der Füllstand der eingespannten Kartusche, der den Extrusionsdruck beeinflusst. Speziell Alginat neigt außerdem zum schnellen Trocknen. Dies kann zum Verstopfen der Dosiernadel, dem „Nozzle Clogging“ führen. Bei konstant eingestelltem Druck besteht keine Möglichkeit mehr, dass sich die Nadel von selbst freispült. Der Anwender muss die Nadel entfernen und reinigen. Dies kann dazu führen, dass das gesamte Druckergebnis unbrauchbar wird.
  • Spritzenextrusion: Ein weiteres, beliebtes Extrusionssystem ist die spindelgetriebene Extrusion mit einer Spritze. Dabei wird eine Spritze mit Material (beispielsweise Alginat) in eine Vorrichtung eingespannt, die Druck auf den ausgefahrenen Kolben der Spritze ausübt. Der Antrieb erfolgt durch eine motorgekoppelte Spindel. Dieses System bietet den Vorteil, dass es als volumetrisch angesehen werden kann. Das heißt, dass eine definierte Drehung der Spindel weitgehend proportional zu der extrudierten Menge an Material ist. Auch ein Rückzug kann durch Rückwärtsdrehung der Spindel erreicht werden. Gemindert wird die Präzision durch das jeweils verwendete Material. Ist das Biomaterial kompressibel, so tritt schnell ein Nachtropfen auf. Dieses Nachtropfen ist abhängig von der Menge an Material, die sich noch in der Spritze befindet, da bei Start-Stopp-Bewegungen unterschiedlich viel Gas komprimiert und entspannt wird. Bei häufiger Verwendung dieses Vorganges kann eine Art Schwingungsverhalten erzeugt werden, wodurch die Präzision vermindert wird. Als weiterer Negativpunkt ist der erhöhte Platzbedarf zu sehen, da die gefüllte Spritze inklusive Auspresssystem aufrecht in einem Drucker untergebracht werden muss.

Puredyne® kit b zum Drucken von Alginat

Neben den bekannten Extrusionssystemen steht seit kurzem auch das, auf der Exzenterschnecken-Technologie beruhende, Puredyne® kit b zum Drucken von Alginat zur Verfügung. Das volumetrische Verfahren ermöglicht konstantes und prozesssicheres 3D-Drucken unter Eliminierung nahezu aller Nachteile, die bisherige Extruder aufweisen. Damit unterscheidet sich der Druckkopf von allen bisherigen Systemen. Zum Test der Performance wurde ein Druckversuch mit Alginat 5 % durchgeführt.

  • Versuchsaufbau: Eine Puredyne® cap b5 wird mit CELLINK Alginat 5 % über den integrierten Luer-Lock-Anschluss befüllt. Mit einer Drehung wird die Cap über den Bajonett-Anschluss mit dem Druckkopf verbunden und die Dosiernadel montiert. Angelegte Druckluft stellt die Materialversorgung des Extruders sicher (Druckluft hat selbst keine Extrusionsfunktion).
  • Durchführung: Die zur Geschwindigkeit proportionale Materialmenge und das zu druckende Modell werden am Computer eingestellt. In einem Linienmuster werden mehrere Stränge Alginat Besonderes Augenmerk liegt auf den Start-Stopp-Punkten.
  • Druckergebnis: Mit eingestelltem Rückzug kann das Muster perfekt und ohne überschüssiges Material an den Start- oder Endpunkten gedruckt werden. Das Ergebnis des Druckversuchs mit Alginat ist im Video zu sehen. Es zeigt perfekte Konturen, feine Linien, sowie saubere Start- und Endpunkte.

Alginat prozesssicher drucken

Die Vielseitigkeit von Alginat ist dessen größte Stärke. Bisher fehlte jedoch ein Extrusionssystem, das diese Vielseitigkeit zuverlässig und mit hoher Präzision unterstützt. Mit dem Puredyne® kit b kann genau diese Lücke geschlossen werden. Nicht nur das Alginat mit einer Konzentration von 5 % lässt sich optimal drucken, sondern auch andere Konzentrationen mit verschiedensten Materialien. Viskositäten spielen beim Drucken mit dem Puredyne® kit b nahezu keine Rolle mehr! Perfekte Prozesskontrolle ist der nächste große Schritt im Bioprinting!