3D-Druck mit lebenden Bakterien

Additive Fertigungsprozesse sind mittlerweile weit verbreitet. Kern der Verfahren ist es, Kunststoffe, Metalle oder auch Keramiken, also tote Materie, schichtweise aufzubauen und Bauteilgeometrien generativ zu erzeugen. Wissenschaftler an der ETH Zürich um Professor André Studart arbeiten derzeit an einer neuen 3D-Druckplattform, um lebende Bakterien zu verdrucken und diese für biomedizinische und biotechnologische Anwendungen nutzbar zu machen.

Giftstoffsensor und Ölpestfilter

Realisiert werden soll die Entwicklung mit biokompatiblen Tinten, die je nach Einsatzzweck verschiedene Bakterien enthalten können. In ihren ersten Arbeiten verwendeten Studarts Mitarbeiter Patrick Rühs und Manuel Schaffner die Bakterienarten Pseudomonas putida und Acetobacter xylinum. Während Pseudomonas putida das in der Chemieindustrie häufig vorzufindende giftige Phenol abbauen kann, sondert die zweite Bakterienart hochreine Nanozellulose ab. Diese wirkt schmerzlindernd, hält feucht und kann mit einer hinreichenden Stabilität für vielfältige Zwecke in der Medizin zum Beispiel bei Brandverletzungen genutzt werden.

Die neue Druckplattform der ETH-Forscher bietet zahlreiche Kombinationsmöglichkeiten. So können die Wissenschaftler in einem Durchlauf bis zu vier verschiedene Tinten mit unterschiedlichen Bakterienarten verwenden. Die Tinte besteht dabei aus einem biokompatiblen und strukturgebenden Hydrogel. Das Nährmedium der Bakterien wird der Tinte beigemischt. Dem Hydrogel können die Wissenschaftler Bakterien mit gewünschten Eigenschaften beimengen und letztendlich in beliebige dreidimensionale Strukturen überführen. „Da Bakterien kaum Ansprüche haben, gehen wir davon aus, dass sie sehr lange in gedruckten Strukturen überleben können“, erläutert Rühs. Das Potenzial, mit bakterienhaltigen Hydrogels zu drucken, ist enorm. Denn es steht eine breite Vielfalt nützlicher Bakterien zur Verfügung, die sich je nach Anwendung auch kombinieren lassen.

Neben medizinischen und biotechnologischen Anwendungen können sich die Forscher viele weitere nützliche Anwendungen vorstellen. So lassen sich mit solchen Objekten beispielsweise Abbauprozesse oder die Entstehung von Biofilmen untersuchen. Eine praktische Anwendung wäre ein 3D-gedruckter Sensor mit Bakterien, welcher Giftstoffe im Trinkwasser anzeigen würde. Denkbar sind auch bakterienhaltige Filter, die bei Ölkatastrophen zum Einsatz kommen. Herausforderungen sind derzeit die lange Druckzeit und die schwierige Skalierbarkeit. Um Zellulose für biomedizinische Anwendungen zu erzeugen, braucht Acetobacter derzeit mehrere Tage. Die Wissenschaftler sind jedoch überzeugt, dass sie die Prozesse noch optimieren und beschleunigen können.

Ein Forschungsbericht ist erschienen unter: advances.sciencemag.org