3D-printen met bacterie-inkt levert botachtige composieten op

Er is nu een methode om botachtig materiaal te maken met de 3D-printer. De onderzoekers zien kansen voor de geneeskunde, koraalherstel, en restauratie van kunstvoorwerpen.

De natuur heeft een buitengewoon talent om composietmaterialen te produceren die tegelijkertijd licht en sterk, poreus en stijf zijn, zoals weekdieren of botten. Maar het produceren van dergelijke materialen in een laboratorium of fabriek – vooral met behulp van milieuvriendelijke materialen en processen – is een enorme uitdaging.

Onderzoekers in het Soft Materials Laboratory van de TU in Lausanne wendden zich tot de natuur voor een oplossing. Ze hebben een 3D-printbare inkt ontwikkeld die Sporosarcina pasteurii bevat: een bacterie die, wanneer blootgesteld aan een ureumbevattende oplossing, een mineralisatieproces in gang zet dat calciumcarbonaat (CaCO₃) produceert. Het resultaat is dat de onderzoekers hun inkt – genaamd BactoInk – kunnen gebruiken om vrijwel elke vorm te 3D-printen, die vervolgens in de loop van een paar dagen mineraliseert.

“3D-printen wordt in het algemeen steeds belangrijker, maar het aantal materialen dat 3D-geprint kan worden is beperkt om de eenvoudige reden dat inkten aan bepaalde vloeivoorwaarden moeten voldoen”, zegt labhoofd Esther Amstad. “Ze moeten zich bijvoorbeeld in rust gedragen als een vaste stof, maar toch extrudeerbaar zijn door een 3D-printspuitmond – een beetje zoals ketchup.”

Amstad vertelt dat 3D-printinkten met kleine minerale deeltjes eerder zijn gebruikt om aan sommige van deze vloeicriteria te voldoen, maar dat de resulterende structuren veelal zacht zijn of krimpen bij het drogen, wat leidt tot barsten en verlies van controle over de vorm van het eindproduct.

Polymeren structuur

“Dus bedachten we een simpele truc: in plaats van mineralen te printen, printten we een polymeren structuur met onze BactoInk, die vervolgens in een tweede stap wordt gemineraliseerd. Na ongeveer vier dagen leidt dit tot een eindproduct met een mineraalgehalte van meer dan 90%.”

Het resultaat is een sterk en veerkrachtig biocomposiet, dat kan worden geproduceerd met een standaard 3D-printer en natuurlijke materialen, en zonder de extreme temperaturen die vaak nodig zijn voor het vervaardigen van keramiek. Eindproducten bevatten geen levende bacteriën meer, omdat ze aan het einde van het mineralisatieproces worden ondergedompeld in ethanol.

De methode, die de eerste 3D-printinkt beschrijft die bacteriën gebruikt om mineralisatie te induceren, is gepubliceerd in het tijdschrift Materials Today.

Kunst, koraalriffen of botten oplappen

De aanpak van het Soft Materials Lab heeft verschillende potentiële toepassingen op een breed scala van gebieden, van kunst en ecologie tot biogeneeskunde. Amstad is van mening dat de restauratie van kunstwerken enorm kan worden vergemakkelijkt door BactoInk, dat ook rechtstreeks in een mal of een doellocatie kan worden geïnjecteerd, bijvoorbeeld een barst in een vaas of een chip in een standbeeld. De mechanische eigenschappen van de inkt geven het de sterkte en krimpweerstand die nodig zijn om een kunstwerk te repareren en om verdere schade tijdens het restauratieproces te voorkomen.

Het gebruik van de methode van alleen milieuvriendelijke materialen en het vermogen om een gemineraliseerd biocomposiet te produceren, maakt het ook een veelbelovende kandidaat voor het bouwen van kunstmatige koralen, die kunnen worden gebruikt om beschadigde mariene riffen te helpen regenereren. Ten slotte zou het feit dat de structuur en mechanische eigenschappen van het biocomposiet die van bot nabootsen, het interessant kunnen maken voor biomedische toepassingen.

Lage milieu-impact

“De veelzijdigheid van de BactoInk-verwerking, gecombineerd met de lage milieu-impact en uitstekende mechanische eigenschappen van de gemineraliseerde materialen, opent veel nieuwe mogelijkheden voor het fabriceren van lichtgewicht, dragende composieten die meer verwant zijn aan natuurlijke materialen dan aan de huidige synthetische composieten”, vat Amstad samen.