Ein Forschungsteam der McGill Universität in Montreal hat eine unerwartete Inspirationsquelle für die Weiterentwicklung des 3D-Drucks gefunden: den Stechrüssel einer weiblichen Mücke. Durch die Integration dieses biologischen Werkzeugs in ein Drucksystem gelang es den Wissenschaftlern, eine Druckauflösung zu erzielen, die deutlich feiner ist als bei vielen kommerziell erhältlichen Metalldüsen. Dieser Ansatz, der als „Nekroprinting“ bezeichnet wird, könnte die Herstellung mikroskopisch kleiner Strukturen revolutionieren.
Die von Professor Changhong Cao geleitete Studie zeigt, wie Teile aus der Natur genutzt werden können, um technologische Grenzen zu überwinden. Der Mückenrüssel erwies sich als ideale Komponente für hochpräzise Druckaufgaben, insbesondere in den Bereichen Mikroelektronik und Zellbiologie.
Die wichtigsten Erkenntnisse
- Forscher der McGill Universität haben einen Mückenrüssel erfolgreich als Düse für einen 3D-Drucker eingesetzt.
- Die organische Düse erreicht eine Auflösung von 18 bis 22 Mikrometern, was doppelt so präzise ist wie kleinste kommerzielle Metalldüsen.
- Der Ansatz, „Nekroprinting“ genannt, ist Teil des wachsenden Feldes der Nekrobotik, das biologische Komponenten in Robotersysteme integriert.
- Die Kosten für eine Mückendüse werden auf nur 80 Cent geschätzt, was sie bis zu 100-mal günstiger macht als vergleichbare Hightech-Alternativen.
Die Suche nach der perfekten Nadel
Am Anfang des Projekts stand eine grundlegende Frage: Könnte die Natur eine bessere Lösung für den Mikrodruck bieten als die von Menschenhand geschaffene Technologie? Das Team um Professor Cao untersuchte eine Vielzahl natürlicher „Injektionswerkzeuge“. Die Wissenschaftler analysierten die Stachel von Bienen und Wespen, die Giftzähne von Schlangen und sogar die Klauen von Hundertfüßern.
Doch viele dieser natürlichen Instrumente erwiesen sich als ungeeignet. „Einige waren zu stark gekrümmt für den hochpräzisen 3D-Druck“, erklärte Cao. Zudem sind viele dieser Organe darauf optimiert, Gift in kurzen Stößen abzugeben, nicht für den kontinuierlichen Materialfluss, der beim 3D-Druck erforderlich ist.
Der Mückenrüssel als idealer Kandidat
Die Forscher fanden die Lösung bei blutsaugenden Insekten. Deren Mundwerkzeuge, die sogenannten Proboscides, sind für einen stetigen Flüssigkeitsfluss optimiert. Nach dem Vergleich von Tsetsefliegen, Bettwanzen und Blattläusen fiel die Wahl schließlich auf die weibliche Stechmücke.
Ihr Rüssel überzeugte durch mehrere Eigenschaften:
- Extrem dünn: Mit einem Innendurchmesser von nur 20 bis 30 Mikrometern ist er weitaus feiner als die meisten Stachel oder Giftzähne.
- Robust und steif: Der Rüssel ist stabil genug, um die Haut zu durchdringen und dem beim Drucken entstehenden Druck standzuhalten.
- Gerade Struktur: Seine gerade Form erleichtert die präzise Ausrichtung als Düse in einem Drucksystem.
Vom Insekt zur Hightech-Druckerdüse
Die Integration des Mückenrüssels in einen 3D-Drucker war ein Prozess, der höchste Präzision erforderte. „Um den Rüssel zu integrieren, haben wir ihn zuerst unter dem Mikroskop von einer bereits eingeschläferten Mücke entfernt“, beschreibt Cao den Vorgang. Anschließend wurde der Rüssel exakt am Auslass einer kleinen Kunststoffspitze positioniert.
Was ist Nekrobotik?
Die Nekrobotik ist ein junges Forschungsfeld, das tote organische Materie, meist von Tieren, als Komponenten für Roboter oder mechanische Systeme nutzt. Frühere Projekte umfassten beispielsweise Greifwerkzeuge aus Spinnenbeinen oder Laufroboter auf Basis toter Kakerlaken. Das Ziel ist es, die hochentwickelten und effizienten Mechanismen der Natur für technologische Anwendungen nutzbar zu machen.
Mithilfe eines UV-härtenden Harzes wurde die Verbindung zwischen dem biologischen Teil und der synthetischen Spitze dauerhaft fixiert. Das Herzstück des „3D-Nekrodruckers“ war ein hochpräziser Bewegungstisch von Aerotech, der den Druckkopf mit einer Auflösung von nur 10 Nanometern steuern kann. Als Druckmaterial diente eine spezielle Tinte, die durch eine Spritze gepresst wurde.
Die ersten Testergebnisse waren beeindruckend. Das Team druckte erfolgreich mikroskopische Wabenstrukturen mit einer Größe von 600 Mikrometern, ein Ahornblatt im Miniaturformat und sogar Gerüste für die Ansiedlung von Zellen.
„Diese Nekrobotik-Veröffentlichungen haben uns inspiriert, etwas anderes zu bauen.“
Grenzen der Natur und Zukunftspotenzial
Trotz der bemerkenswerten Präzision stieß die Mückenrüssel-Düse auch an ihre Grenzen. Ein wesentliches Problem war die begrenzte Widerstandsfähigkeit gegenüber hohem Innendruck. „Sie war beeindruckend, aber immer noch zu gering, um einige hochviskose Tinten zu verarbeiten“, so Cao. Diese pastenartigen Materialien sind für den Druck geometrisch exakter Modelle wichtig, da sie ihre Form besser behalten und nicht unter ihrem eigenen Gewicht zusammensacken.
Kostenvergleich: Natur vs. Technik
Die Forscher schätzen die Kosten für eine organische Düse aus einem Mückenrüssel auf etwa 80 Cent. Vergleichbare kommerzielle Düsen aus Glas oder Metall kosten laut der Studie zwischen 32- und 100-mal mehr.
Auch im direkten Vergleich mit den besten menschengemachten Alternativen gibt es noch Unterschiede. Düsen aus Glas können Drucklinien von unter einem Mikrometer erzeugen und halten deutlich höheren Drücken stand. Die Mückenrüssel-Düse konnte diese Leistung nicht erreichen.
Keramikbeschichtung als nächste Stufe
Die Forscher haben jedoch bereits Ideen, wie diese Lücke geschlossen werden könnte. „Eine mögliche Lösung besteht darin, den Mückenrüssel als Kern zu verwenden und ihn mit Keramikschichten zu überziehen, um eine viel höhere Festigkeit zu gewährleisten“, erklärt Cao. Sollte das Druckproblem gelöst werden, wäre die Auflösung von 18 bis 22 Mikrometern für zahlreiche Anwendungen mehr als ausreichend.
Cao sieht das Potenzial des Nekroprintings vor allem in der Herstellung von Gerüsten für lebende Zellen oder bei der Produktion mikroskopisch kleiner elektronischer Bauteile. Der entscheidende Vorteil liegt in den geringen Kosten und der weltweiten Verfügbarkeit von Mücken.
Das Projekt ist für das Team noch nicht abgeschlossen. „Wir haben bereits damit begonnen, mehr über die Mücken selbst zu forschen, und hoffen, weitere technische Lösungen zu entwickeln“, sagt Cao. Dabei geht es nicht nur darum, ihre toten Körper zu nutzen, sondern auch darum, praktische Probleme zu lösen, die diese Insekten verursachen.
