Bachelorarbeit. über das Thema

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1 Bachelorarbeit über das Thema Entwicklung und Prototypenbau eines mechanischen Extruders für das 3D-Bioprinting von zell-beladenen Hydrogelen (Biotinte) Development and prototype construction of a mechanical extruder for 3D-Bioprinting of cell-laden hydrogels (bioink) Autor: Benedikt Korbinian Kaufmann Bioingenieurwesen B.Eng. bkaufman@hm.edu Mat.Nr.: Prüfer: Prof. Dr.-Ing Alfred Fuchsberger Zweitprüfer: Dr. Stefanie Sudhop Abgabedatum: 28. September 2015

2 Kurzfassung Kurzfassung Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und der Prototypenbau eines mechanischen Extruders, für das 3D-Bioprinting von zellbeladenen Hydrogelen, für das Tissue Engineering. Tissue Engineering bezeichnet ein interdisziplinäres Forschungsfeld an der Schnittstelle zwischen Ingenieurwissenschaften, Biologie und Medizin, dessen Ziel die Generierung von funktionellem biokompatiblem Gewebeersatz ist. Die Strategien zur Erzeugung dieser Gewebestrukturen sind vielfältig, verfolgen jedoch ein gemeinsames Ziel. Aufgebaut aus körpereigenen oder genetisch veränderten Zellen, sollen zukünftig vollständige Organe hergestellt werden können. Unter Einsatz der 3D-Druck-Technologie wurden bereits einige Verfahren etabliert, bei denen sogenannte Scaffolds, d.h. Gitterstrukturen aus biodegradierbaren Polymeren, erzeugt werden, um diese in einem separaten Schritt mit Zellen zu besiedeln und anschließend zu implantieren. Scaffoldfree 3D-Bioprinting bezeichnet den jüngeren Forschungsansatz, bei dem auf die Verwendung von Polymeren verzichtet wird und stattdessen direkt lebende Zellen, eingebettet in spezielle medizinische Gele, verdruckt werden. Integraler Bestandteil, hierfür nötiger besonderer 3D-Drucker, sogenannter Bioprinter, ist der Druckkopf, dessen Charakteristiken exakt auf die der verwendete Biotinte abgestimmt sein müssen, um ein strukturell akkurates Produkt, bei gleichzeitig hoher Zellviabilität, zu erzeugen. Auf Basis des übernommenen Antriebskonzepts, eines mechanischen Kolbenextruders, konnte in mehreren Schritten ein neuer funktionstüchtiger Prototyp konzipiert, konstruiert und aufgebaut werden. Dieser ist zur Fertigung im FDM 3D-Druck optimiert, um modernen Ansprüchen, an einfache, schnelle und kostengünstige Modifizierbarkeit und Reproduzierbarkeit, gerecht zu werden. Durch erste Druckversuche, zur empirischen Ermittlung passender Steuerungsparameter, konnten bereits erfolgreich dreidimensionale Strukturen mehrschichtig gedruckt und quervernetzt werden. Neben den Ergebnissen des Konzeptions- und Konstruktionsauftrags und einem Proof of Concept zur Validierung, bietet diese Arbeit ferner Anregungen für den weiteren Entwicklungsverlauf und Konzepte zur Erweiterung des Druckkopfes und Automatisierung des Druckprozesses. Hydrogelen (Biotinte) I

3 Abstract Abstract The objective of this paper is the development and prototype construction of a mechanical extruder, for 3D-Bioprinting of cell-laden hydrogels, for tissue engineering. Tissue engineering is an interdisciplinary research field at the interface between engineering, biology and medicine, aiming the production of functional biocompatible tissue substitutes. There are multiple strategies to generate these tissue structures, though they share the same ambition. In the near future entire organs are to be produced, made up of the patient s own or genetically engineered cells. Using 3D-printing technology several procedures have been established, relying on creating so called scaffolds, a framework of biodegradable polymers, populating them with cells in a separate step and subsequently implanting them. Scaffold-free 3D-Bioprinting constitutes a more recent research approach, forgoing the use of polymers and instead immediately printing living cells, embedded in special medical gels. A key component of these particular printers, so-called bioprinters, is the print head, whose characteristics must be matched exactly to those of the used bioink, in order to achieve a structurally accurate product and high cell survival rates. Based on the inherited drive concept, of a mechanical piston extruder, it was possible to concept, construct and assemble a functioning Prototype. Optimized to be fabricated using FDM 3D-Printing to meet modern requirements of easy, fast and cost-efficient modifiability and reproducibility. By performing first printing tests, to empirically determine suitable control parameters, threedimensional multilayer structures have already been successfully printed and crosslinked. Besides the results of the conception and construction assignment and a proof of concept for validation purposes, this paper furthermore offers proposals for the ongoing development process and concepts of enhancements for the print head and automatization of the printing process. Hydrogelen (Biotinte) II

4 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Kurzfassung... I Abstract... II Inhaltsverzeichnis... III Abbildungsverzeichnis... V 1. Einleitung Theorie und Grundlagen D-Druck allgemein D-Druck im Bereich Tissue Engineering Aufgabenstellung Vorstellung der Ausgangsbasis des Konzeptes eines Druckkopfes Material und Methoden SolidWorks und Cura Ultimaker² + PLA Manuelle Nachbearbeitung der Druckteile Übernommene Kaufteile für den Prototypen Schematische Aufbau des 3D-Bioprinter Versuch der Validierung des übernommenen Konzepts Konzeption und Konstruktion eines neuen Prototypen Neudesign der Grundplatte Optimierung des Druckkopfdesigns auf den 3D-Druck Arretierungskonzept des Spritzentanks in der Grundplatte Konstruktion der Spritzenhalterung zur Arretierung des Spritzentanks Integration von Kontaktschaltern in des Designkonzept Konstruktion der oberen Wellenbrücke Anpassung des Schlittens entsprechend der veränderten Anforderungen Anpassung des Extruderschlittens der Bioprinter Zusammenbau des neuen Prototypen Zusammenbau des Kolbenschlittens Zusammenbau des Heizelementes Zusammenbau der Grundplatte Zusammenbau von Wellenbrücke und Spritzenhalter Finaler Zusammenbau aller Komponenten Übersichten über Zeit- und Materialbedarf der Druckteile: Hydrogelen (Biotinte) III

5 Inhaltsverzeichnis 8. Erweiterungen zur Quervernetzung der Hydrogele UV-Quervernetzung CaCl2-Quervernetzung Steuerung und Automatisierung Proof of Concept Diskussion und Ausblick Literaturverzeichnis Quellen der Abbildungen Anhang Erklärung Hydrogelen (Biotinte) IV

6 Abbildungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Abb. 2.1: Die Handprothese Raptor Hand der Community Enabling the future... 3 Abb. 2.2: Durch 3D-Druck entstandene Kopie einer 1974 Honda CB500 von Jonathan Brand... 4 Abb. 2.3: Schematische Schritte bei der Replikation durch 3D Scanner und Drucker... 4 Abb. 2.4: Exemplarischer Arbeitsablauf beim Einsatz eines Scaffold-basierten Implantats... 5 Abb. 2.5: Inkjet, Mikroextrusion und lasergestützte Druckverfahren... 6 Abb. 2.6: Bioprinten von tubulären Strukturen aus zellulären Zylindern... 7 Abb. 2.7: 3D gedruckter Prototyp eines bionischen Ohrs... 8 Abb. 2.8: "Magnetic Levitation" Konzept der Firma n3d Biosiences... 8 Abb. 3.1: Konzept eines mechanischen Extruders, konstruiert von Simon Huber... 9 Abb. 3.2: Konzept eines mechanischen Extruders nach Überarbeitung Abb. 4.1: Schematischer Übergang der in SolidWorks erzeugten STL Datei in einen G-Code Abb. 4.2: Schematischer Übergang von G-Code in ein reales Bauteil durch den Ultimaker Abb. 4.3: Druckteile direkt nach der Fertigung und bei der manuellen Entfernung des Stützgerüstes 13 Abb. 4.4: Übersicht von Beispielfotos der Kaufteile in Reihenfolge ihrer Erwähnung Abb. 4.5: Die 3D-Bioprinter Prototypen des CANTER Abb. 5.1: Wiegen des fast vollständigen Druckkopfes und die potentielle Gewichtsersparnis Abb. 5.2: Druckkopf unter Einsatz von Halter Mini anstelle des AL-Rückgrats Abb. 6.1: Die erste Evolutionsstufe der Grundplatte Abb. 6.2: Die zweite Evolutionsstufe der Grundplatte Abb. 6.3: Die dritte Evolutionsstufe der Grundplatte Abb. 6.5: Ansicht der Oberseite des fertigen Prototyps der Grundplatte Abb. 6.4: Ansicht der Unterseite des fertigen Prototyps der Grundplatte Abb. 6.6: Prototyp der Spritzenhalterung Abb. 6.7: Darstellung der kongruenten Magnetreihen und Passung von Halterung und Grundplatte 23 Abb. 6.8: Detailansicht des Prototyps der oberen Wellenbrücke Abb. 6.9: Schrittweise Evolution des Prototyps der oberen Wellenbrücke Abb. 6.10: Der vorläufige Prototyp des zweiteiligen Spritzenschlittens Abb. 6.11: Ober- und Unteransicht des fertigen Prototypen des zweiteiligen Spritzenschlittens Abb. 6.12: Das Zusammenspiel der beiden Miniaturschalter und Kontaktflächen Abb. 6.13: Spritzenschlitten mit eingesetztem Schlüssel Abb. 6.14: 3D-Ansicht des umkonstruierten Extruderschlitten Abb. 6.15: 3D-Ansichten des fertigen Extruder-Prototyps Abb. 7.1: Prototypen der oberen Wellenbrücke Abb. 7.2: Früher Prototyp der Spritzenkolbenschlittens mit Übergangspassung Abb. 7.3: Zwei Ansichten des fertigen Prototyps des Spritzenkolbenschlittens Abb. 7.4: Zwei Ansichten des Aufbaus der Spritzenheizung Abb. 7.5: Oberseite und Unterseite der finalen Grundplatte unmittelbar nach der Fertigung Abb. 7.6: Drei Ansichten der teilbestückten Grundplatte aus PLA-HT Abb. 7.7: Ausgedruckte und bestückte finale Versionen der oberen Wellenbrücke Abb. 7.8: Drei Ansichten des zusammengebauten Extruders Abb. 7.9: Der fertige Extruder eingesteckt in den experimentellen Bioprinter Abb. 8.1: Schematischer Aufbau eines Konzepts zur UV-Quervernetzung von Hydrogelen Abb. 8.2: Konzept zur Erweiterung des Extruders zur Quervernetzung mit CaCl2-Lösungen Abb. 8.3: Detailansichten der Erweiterungskonzepte zur Quervernetzung Abb Detailaufnahme der angeschlossenen Adapterkabel Abb Detailaufnahmen der Druckvorbereitungen am Bioprinter Abb Aufnahmen des Druckvorgangs und einige Druckergebnisse 42 Hydrogelen (Biotinte) V

7 Einleitung 1. Einleitung Das Ziel dieser Arbeit ist die Konzeption, Konstruktion und der Prototypenbau eines mechanischen Druckkopfs zum Vergießen von zellbeladenen Hydrogelen für das Tissue Engineering. Darüber hinaus wird eine anschließende Validierung, durch praktische Druckversuche an dem vorgesehen Bioprinter, angestrebt. Diese Abschlussarbeit wurde im Auftrag und in Zusammenarbeit mit der Forschungsabteilung CANTER der Hochschule München erstellt. Das Centrum für Angewandtes Tissue Engineering und Regenerative Medizin ist eine Kooperation der Hochschule München, LMU und TUM und arbeitet an den Schnittstellen der Bereiche Chirurgie, Regenerative Medizin, Zell- und Molekularbiologie, Bioingenieurwesen, Biophysik, Maschinenbau und Medizintechnik. Das Bestreben der Abteilung ist die (In Vitro) Generierung von funktionellem Gewebeersatz, der die individuellen Bedürfnisse der betroffenen Patienten befriedigt. [1, 2, 3] Dieser Entwicklungsprozess wird maßgeblich durch den regen interdisziplinären Know-how-Transfer und die lokale Bündelung von Kompetenzen begünstigt. Durch die laufende Vergabe von Abschlussund Projektarbeiten wird der Nachwuchs der wissenschaftlichen Gemeinschaft gefördert und der Raum für immer wieder neue gedankliche Ansätze, Ideen und Methoden eröffnet. Derzeitiger Schwerpunkt der Abteilung ist die Entwicklung eines 3D-BioPrinters, dessen Konstruktionsdaten nach Fertigstellung im Rahmen des Open Source Programmes weltweit entgeltfrei zur Verfügung gestellt werden soll, um die Forschung in diesem Bereich voranzutreiben. Prinzipiell wird so jeder Forschungs- und Lehreinrichtung, die über ein ausreichendes Budget, Zellkultur-Ausstattung und einen 3D-Drucker verfügt, der schnelle und direkte Einstieg zur eigenen Forschung bzw. Fortbildung ermöglicht. [1, 2, 3] Hydrogelen (Biotinte) 1

8 Theorie und Grundlagen 2. Theorie und Grundlagen 2.1 3D-Druck allgemein Aktuelle Prognosen errechnen für das Jahr 2018 einen weltweiten Umsatz von 5,4 Mrd. US-Dollar im Bereich 3D-Druck und weitere 10,8 Mrd. im Bereich der zugehörigen Dienstleistungen und Materialien. Obgleich der aktuelle Konsens besteht, dass es sich hierbei um einen Hype und nicht mehr einer weiteren industriellen Revolution handelt, bleibt man fest von einem steten Wachstum und dem enormen Potential dieser Technik überzeugt. [4, 5] Im Unterschied zu den traditionellen Fertigungsverfahren bei denen das Werkstück durch Abtragen von Material, beispielsweise durch Fräsen, in seine fertige Form überführt wird, handelt es sich bei dem 3D-Druck um ein generatives Schichtbauverfahren. Konkret bedeutet das, dass basierend auf einem am Computer generierten 3D-Model durch das schichtweise Hinzufügen von Material ein komplexer Volumenkörper aus dem Nichts aufgebaut wird. Außerdem ist im Allgemeinen kein zusätzliches Werkzeug oder Nachbearbeitung zwingend nötig. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen zwei prinzipiellen Arten von 3D-Druck-Technologien. Die Kategorie der Selective Binding Printers nutzt die Einbringung von Energie in ein mit Rohmaterial gefülltes Druckbett, um es schichtweise zur Bindung anzuregen. Hierzu zählt das Selektive Lasersinter, bei der die fokussierte Strahlung eines Lasers z.b. Polymergranulat in die gewünschte Form verschmilzt. [6, 7, 8] Werden dreidimensionale Strukturen durch die Ausbringung von Rohmaterial durch eine Düse oder Kanüle generiert, spricht man von Selective Deposition Printers. Für die im Nachfolgenden behandelte Untergruppe der Fused Deposition Modeling Drucker kommt hierbei eine beheizte Düse in Verbindung mit einem kontrolliert hindurchgeführten thermoplastischen Material zum Einsatz. Sobald dieses flüssig ausgetreten ist, erhärtet es erneut an der gewünschten Stelle, um sich mit ggf. bereits extrudierten Schichten zu komplexen Formen zu verbinden. [6, 7, 8] Anfangs vor allem als schnelle und kostengünstige Methode zum Rapid Prototyping, d.h. der Erstellung von modellartige Prototypen verwendet, etwa im Bereich der Produktentwicklung, gewinnen Druckergebnisse dieses Herstellungsprozesses zunehmend Bedeutung als fertiges Endprodukt. Mit dem Aufkommen moderner immer kostengünstigerer Modelle findet diese Technologie nun auch Einzug in die Hobbyräume des privaten Enthusiasten (OneUp V2 von Q3 3D Printers ist bereits ab 199$ erhältlich) und kleinen Unternehmen (z.b. der Ultimaker 2 von Ultimaker ab 1895 Netto). Die schier endlosen Anwendungsmöglichkeiten spannen von dem Modellbau und dem heimischen Ersatz von defekten Kunststoffteilen über die Erstellung von plastischer Kunst und dem Rapid Prototyping von Werkstücken bis hin zur individuellen Anpassung von Prothesen und Implantaten in der Medizin. Darüber hinaus erweitert sich die Palette der hierbei eingesetzten Materialien laufend und eröffnet immer neue Möglichkeiten. Ebenfalls trägt der Trend zur simultanen Verwendung von mehreren Stoffen zur Vielfalt bei, wie bei der Mischung von spröden und elastischen Polymeren in einem Druckprozess. [6, 7, 8, 9, 10] Neben den an die Anforderungen angepassten und weitverbreiteten Polymeren wie PLA und ABS, können durch verschiedene Prozesse eine breite und wachsende Palette an Materialien verwendet werden, zu denen Glas, Keramiken und Metalle, aber auch Lebensmittel und lebende Zellen in speziellen medizinischen Gelen zählen. [6, 7, 8] Hydrogelen (Biotinte) 2

9 Theorie und Grundlagen Darüber hinaus erlauben die hierbei möglichen Formen, welche ihre Grenzen praktisch nur noch in der Vorstellungskraft des Anwenders bzw. des verwendeten Algorithmus finden, einen zuvor unerreichten Level an Komplexität. Eben dies, die Kombination von Werkstoffen wie Titan, die freidefinierbaren Hohlräume, allgemeine Gestaltungsfreiheit und rasche Fertigung machen das Konzept auch interessant für den Leichtbau in Luft- und Raumfahrt. Neben Beispielen wie dem Design von hohlen und besonders leichten Turbinenrotoren ist eine Produktion zur Wartung und Reparatur vor Ort auf Raumstationen denkbar, wahlweise mit kurzfristig von der Erde übermittelten Konstruktionsdaten. Des Weiteren beschleunigt das sich ständig erweiternde Netzwerk aus Plattformen zum Austausch von Konstruktionsdaten und Wissen im Internet die flächendeckende Nutzbarkeit dieser Technologie durch Personen ohne passende spezielle Ausbildung. Nutzer können, selbst ohne eigene CAD Kenntnisse, nach wahlweise kostenpflichtigen oder gratis zur Verfügung gestellten vorgefertigten Modellen online suchen (z.b. auf und diese am eigenen Drucker verwenden oder externe Anbieter zu Produktion beauftragen. Auf Webseiten wie können bereits Auflagen von nur einem Exemplar in Auflösung und Material der Wahl zur lokalen Abholung oder Lieferung per Post bestellt werden. Derartige Auflagen (1 Stück) wären, in Bezug auf Produktionskosten und -zeiten (einige Tage), in traditionellen Techniken, wie dem Spritzgussverfahren, gänzlich undenkbar. Besagter freier Austausch zeigt sich auf einer humanistischen Ebene in der Online Community Enabling the Future, die sich dem Ziel verschrieben hat, vor allem bedürftige Kinder mit einfachen, kostengünstigen und funktionellen Prothesen zu versorgen. Durch ihre Bemühungen ist beispielsweise die Prothese Raptor Hand entstanden, welche es Menschen die keine Finger haben erlaubt Dinge greifen und halten zu können (siehe Abbildung 2.1). Sollte den Betreffenden kein eigener Drucker zur Verfügung stehen und die finanziellen Mittel für einen externen Auftrag fehlen, finden sich stets Freiwillige um in einer Patenschaft Druck und Kosten zu übernehmen. [11] Abb. 2.1: Die Handprothese Raptor Hand, der Community Enabling the future Hydrogelen (Biotinte) 3

10 Theorie und Grundlagen Jonathan Brand, ein kanadischer kontemporärer Künstler, erzeugt basierend auf Erinnerung und Fotos CAD Modelle um sie anschließend als plastische Kunst im 3D-Druck zu fertigen und auszustellen. Die lebensgroße Kopie eines Honda Motorrads von 1974 ist eines seiner bekanntesten Werke, das durch seine Detailtreue und lichtdurchlässige Optik besticht. Letztere ist der durch dieses Druckverfahren möglichen dünnen Wandstärke von nur 1mm geschuldet und macht das Stück so einzigartig, wie in Abbildung 2.2 zu erkennen ist. [12, 13] Abb. 2.2: Durch 3D-Druck entstandene Kopie einer 1974 Honda CB500 von Jonathan Brand Neuere 3D-Drucker-Systeme werden bereits in Kombination mit speziellen 3D-Scannern angeboten, so dass sie ohne eigenen Konstruktionsaufwand des Anwenders als 3D-Kopierer fungieren können bzw. diesen massiv reduzieren. Ein von Artec 3D Scanners vorgestellter Scanner ist in der Lage einen kompletten Menschen in 12 Sekunden einzuscannen. Im Anschluss generiert die hierzu passende Software in unter vier Minuten eine sofort druckbereites 3D-Model. [14] Ein weiteres spannendes Anwendungsfeld dieser Technologie ist die Replikation von unbezahlbaren archäologischen und historisch signifikanten Unikaten zu Ausstellungs- und Lehrzwecken (siehe Abb. 2.3.) Abb. 2.3: Schematische Schritte bei der Replikation durch 3D Scanner und Drucker Hydrogelen (Biotinte) 4

11 Theorie und Grundlagen 2.2 3D-Druck im Bereich Tissue Engineering Tissue Engineering bezeichnet ein interdisziplinäres Forschungsfeld an der Schnittstelle zwischen Ingenieurwissenschaften, Biologie und Medizin, dessen Ziel die Generierung von funktionellem biokompatiblem Gewebeersatz ist. [15] Gerade in einer Gesellschaft mit steigendem durchschnittlichem Alter, medizinischem Fortschritt und nötigem Wohlstand wächst die Nachfrage nach künstlich erzeugte Gewebe rapide an. Der potentielle Markt erstreckt sich von der Behandlung von Unfallopfern, Menschen mit genetischen Defekten und akuten Erkrankungen bis hin zur Verbesserung über den Soll-Zustand hinaus zu kosmetischen Zwecken oder etwa der Steigerung der sportlichen Leistungsfähigkeit. Die Strategien zur Erzeugung von funktionellem Ersatz sind vielfältig, verfolgen jedoch prinzipiell das gemeinsame Ziel, zukünftig ganze Organe oder sogar Gliedmaßen, aufgebaut aus körpereigenen oder genetisch veränderter nicht immunogene Zellen, herstellen zu können. Hierdurch könnte man darüber hinaus die Risiken, Komplikationen und Kosten die mit traditionellen Transplantationen verbunden sind minimieren und gleichzeitig hochindividuell auf die Bedürfnisse des jeweiligen Kunden eingehen. Ferner könnten durch künstliche Organe Medikamentenstudien beschleunigt und allgemein ein Großteil der Studien die aktuell noch den Einsatz von Versuchstieren erfordern reduziert werden. Unter Einsatz der 3D-Druck-Technologie wurden bereits einige Verfahren etabliert, die sogenannte Scaffolds, d.h. Gitterstrukturen aus biodegradierbaren Polymeren, erzeugen, um diese in einem zweiten Schritt mit körpereigenen Zellen zu besiedeln und anschließend zu implantieren. [16,17] Drucker dieser Art, wie der BioScaffolder von Syseng gibt es bereit zu Anwendung und Forschung zu kaufen. [18] Ein hierfür typischer Arbeitsablauf ist Abbildung 2.3 zu entnehmen. Abb. 2.4: Exemplarischer Arbeitsablauf beim Einsatz eines Scaffold-basierten Implantats Auf diese Weise können beispielsweise Knochendefekte überbrückt bzw. gefüllt und zur effektiveren Heilung angeregt werden, wie es Vladimir S. Komlev in seiner aktuellen Forschung mit biokompatiblen Calcium-Phosphat-Keramik-Transplantaten beschreibt. [19] Ein Team um Daniel L. Cohen publizierte bereits 2010 über ihre Experimente mit 3D-Druck in situ Knochendefekte zu schließen. Verfahren dieser Art sollen in Zukunft eine minimalinvasive und effektive Möglichkeit zur Rekonstruktion von Gewebeschäden unmittelbar am lebenden Organismus darstellen. [20] Hydrogelen (Biotinte) 5

12 Theorie und Grundlagen Scaffold-free 3D-Bioprinting bezeichnet den jüngeren Forschungsansatz, der innerhalb der CANTER Community Anwendung findet. Hierbei wird auf die Verwendung von Scaffolds verzichtet und stattdessen direkt lebende Zellen, eingebettet in spezielle medizinische Gele, verdruckt. Diese sogenannten Hydrogele, die ihren Namen durch den hohen Wasseranteil bekommen, haben die Aufgabe die Zellen zu tragen und fungieren als ein für den Druck und das Überleben kompatibles Medium. Integraler Bestandteil hierfür nötiger spezieller 3D-Drucker, sogenannter Bioprinter, ist der Druckkopf, dessen Charakteristiken exakt auf die verwendete Biotinte abgestimmt sein muss, um ein strukturell akkurates Produkt bei gleichzeitig hoher Zellviabilität zu erzeugen. [21, 22] In der Forschungsabteilung CANTER wird derzeit vor allem mit den beiden FDM basierenden Konzepten der pneumatischen Extrusion und mechanischen Kolben-Extrusion experimentiert (siehe Abbildung 2.4). Ziel hierbei ist es im direkten Vergleich objektive Daten und Erfahrungen sammeln zu können, um einen hochautomatisierten wiederholbaren Druckprozess zu etablieren. Dies ist dringend notwendig um eine immer effektivere Forschung mit zellbeladenen Hydrogelen zu gewährleisten und vorhandene Variablen, sowie systematische und statistische Fehler zu minimieren. Abb. 2.5: Inkjet (A), Mikroextrusion (B) und lasergestützte (C, D) Druckverfahren Ein prinzipielles Interesse an der simultanen Verfolgung mehrere Konzepte ergibt sich aus den grundlegend verschiedenen Arten des Krafteintrags, inklusive der jeweiligen Vor- und Nachteile. Pneumatische Systeme erlauben beispielweise eine praktisch stufenlose Regelung des Drucks und damit der eingebrachten Kraft, die lediglich von der Stabilität der Konstruktion und Druckluftversorgung nach oben limitiert wird. Vorteil der mechanischen Extrusion hingegen ist unter anderem eine effektivere Retraction Funktion, d.h. ein Rückstellen der Kraft (hier: ein Fahren des Kolbens in die Gegenrichtung) zwischen den Extrusionspunkten um den unkontrollierten Ausfluss des Hydrogelen (Biotinte) 6

13 Theorie und Grundlagen Gels zu verhindern. Stellt der Druckablass bei einem pneumatischen Drucker alleine noch kein großes Problem dar, ist eine Lösung die kontrolliert Unterdruck aufbauen kann technisch schwerer umzusetzen, als einen mechanischen Motor eine an das Druckmedium und Temperatur angepasste Schrittanzahl rückwärtsfahren zu lassen. Der für das CANTER typische mehrschichtige Forschungsansatz zeigt sich ebenfalls bei den verschiedenen Konzepten zur Quervernetzung der Hydrogele. Konkret werden zwei unterschiedliche Methoden erprobt, um die flüssig extrudierte Biotinte zur strukturellen Integrität zu verhelfen. Neben ersten Versuchen mit UV-Licht und speziellen Photoinitiatoren, die beispielsweise als freie Radikale bestimmte funktionelle Gruppen der Hydrogelketten miteinander verbinden und so zu einer Aushärtung führen. Durch Definierung der Art und Anteile dieser funktionellen Gruppen und die eingebrachte Energiemenge kann der Grad und der Verlauf der Quervernetzung aktiv beeinflusst werden. [23] Eingehende Erfahrungen konnten bereits mit einem CaCl2 basiertem System gemacht werden, bei dem es durch Komplexbildung von funktionellen Gruppen zur Veränderung der mechanischen Eigenschaften kommt. Entscheidend für das Ergebnis ist, neben der Konzentration der Lösung, vor allem die Art der Aufbringung. Der direkte Druck in ein mit Calciumchlorid gefülltes Gefäß hat sich früh als impraktikabel erwiesen, da das Gel durch den hohen Wasseranteil in der Lösung unkontrolliert aufquillt. Experimentelle aktuelle Lösungsansätze sind der Druck in einem CaCl2-Nebel durchfluteten Raum bzw. die kontrollierte Aufbringung durch Sprühgänge zwischen den jeweiligen Schichten. Vorteile gegenüber der Verwendung von Scaffolds sind unter anderem das Wegfallen der Limitationen bei der Auswahl und Verträglichkeit der biokompatiblen Materialen für die Stützgerüste, inklusive Degradationskinetik und Abbauprodukte. Darüber hinaus können wesentlich höhere physiologische Zelldichten erreicht werden und Zell-Zell-Interaktionen verbessert werden. [21,22,24] Ein zunehmendes Interesse und Fortschritt in diesem Bereich des Tissue Engineering kann durch Zunahme der Publikationen und Forschungsgruppen beobachtet werden. Beispielweise veröffentlichte ein Team um Cyrille Norotte ihre Ergebnisse zur Generierung von tubulären Strukturen als vaskulärer Gewebeersatz (siehe Abb. 2.5). Durch die simultane Verwendung von zwei Druckköpfen wurden Schichten aus Zylindern mit zellbeladenem Hydrogel und zellfreiem Stützmaterial auf Basis von Alginat aufgebaut. Nach ausreichender Kultivierung und damit eingehenden Verknüpfung der korrespondierenden Zylinder wird das Stützmaterial entfernt und das hohle röhrenförmige Gewebe gewonnen. [24] Abb. 2.6: Bioprinten von tubulären Strukturen aus zellulären Zylindern A) Schematischer Bauplan, B) Schichtweise Auftragung, C) Bioprinter, D) Druckergebnis, E) Endprodukt Hydrogelen (Biotinte) 7

14 Theorie und Grundlagen Manu S. Mannoor et al. erforschten in ihrer Publikation 2013 die Möglichkeit der dreidimensionalen Verwebung von biologischem Gewebe mit funktionaler Elektronik. Diese künstlichen Organe besitzen in der nahen Zukunft das Potential zur funktionalen Überlegenheit gegenüber ihrer natürlichen Pendants. Als Machbarkeitsnachweis generierten sie einen Prototypen eines bionischen Ohres aus einer Kombination von zellbeladenem Hydrogel als formgebende Matrix, vermischt mit einem Polymer aus leitenden Silbernanopartikeln und einer mit Knorpelzellen ummantelten induktiven Antenne (siehe Abb. 2.7). [25, 26] Abb. 2.7: 3D gedruckter Prototyp eines bionischen Ohrs Stephanie Knowlton et al. publizierten im Juli diesen Jahres zu den Vorteilen und neuen Chancen die der 3D-Druck im Bereich der Krebsforschung eröffnet. Die im Moment weitflächig verwendeten 2D Krebsmodelle zeigen nachweislich andere Eigenschaften auf nahezu allen Ebenen der Zellorganisation. Darunter sind Faktoren wie die Gen- und Proteinexpression, Migrationsverhalten, Morphologie, Viabilität und das Ansprechverhalten auf Medikamente. Für eine effektive Grundlagenforschung und Medikamentenstudien ist ein möglichst realitätsnahes Model essenziell und die aktuellsten Ergebnisse mit künstlich generierten dreidimensionalen Krebsgeweben zeigen bereits hohes Potential ihre 2D Gegenstücke in der nahen Zukunft obsolet zu machen. [27] Die Firma n3d Biosiences, Inc. bietet bereits ein 3D-System auf Basis von magnetischen Nanopartikeln (siehe Abb. 2.8) zur Organisation von Zellverbänden in Multiwellplatten an. Dieses soll beispielsweise Toxizitätsscreenings in hohem Durchsatz anhand von 3D-Gewebestrukturen ermöglichen, wie es in einer Publikation von David M. Timm et al. (2013) näher erläutert wird. Nachteil gegenüber den zukünftig Perspektiven die das FDM orientierte 3D-Bioprinting haben wird sind u.a. die stark eingeschränkte räumliche Gestaltung, Skalierbarkeit und Möglichkeit zur simultanen Verwendung mehrerer Zellarten. [28, 29] Abb. 2.8: "Magnetic Levitation" Konzept der Firma n3d Biosiences Hydrogelen (Biotinte) 8

15 Aufgabenstellung 3. Aufgabenstellung Im Folgenden soll der Entwicklungsstand zu Beginn dieser Arbeit vorgestellt und durch den Versuch einer Validierung des Konzepts eine Anforderungsliste für einen neuen Prototyp erstellt werden. 3.1 Vorstellung der Ausgangsbasis des Konzeptes eines Druckkopfes Das Projekt einen mechanischen Extruder für den Bioprinter des CANTER zu erstellen, wurde in dem vorhergehenden Semester durch Simson Huber bearbeitet und resultierte ein zu validierendes Konzept. Unter anderem durch Verwendung einer wertenden Anforderungsliste und einem hierzu ausgearbeiteten morphologischen Kasten, wurde ein passendes Antriebskonzept ausgewählt und ein erster Prototyp konstruiert. [30] Durch eine motorbetriebene Spindel wird ein Schlitten bewegt, welcher den Kolben einer handelsüblichen auswechselbaren Spritze ausdrückt, um das zellbeladene Gel zu verdrucken. Mit Hilfe einer uniformen Grundplatte soll ein schneller Wechsel zwischen verschiedenen Druckköpfen möglich sein. Auf Lösungen für Rückziehbarkeit der Spritze und einer Temperierung wurde zu diesem Zeitpunkt verzichtet. Abbildung 3.1 zeigt eine 3D-Darstellung des fertigen Prototyps. [30] Abb. 3.1: Konzept eines mechanischen Extruders, konstruiert von Simon Huber Hydrogelen (Biotinte) 9

16 Aufgabenstellung In der Zeit bis zur Aufnahme des Projekts durch den Verfasser, wurden bereits einige Verbesserungen durch das Team vorgenommen, bevor alle nötigen Teile bestellt bzw. zur internen Fertigung freigegeben wurden. Die Änderungen beziehen sich auf Aussparrungen im Aluminiumrückgrat, zur Gewichtseinsparung und der Konstruktion eines optimierten Schlittens, der den Spritzenkolben oben fest arretieren soll. Darüber hinaus ist bei der unteren Spritzenhaltung, statt dem vorgesehenen Klemmstück, auf ein System aus Neodym-Magneten umgestellt worden, um die Handhabung zu erleichtern. Siehe Abb. 3.2 für eine 3D-Darstellung der Konstruktionsdaten des überarbeiteten Prototyps und Detailaufnahmen der wichtigsten zusätzlichen Eigenschaften. Nach einer kurzen Vorstellung, der in dieser Arbeit verwendeten Materialien und Methodik, soll in einem nächsten Schritt der Versuch der Validierung dieses aktuellen Konzeptes gestartet werden. A B C Abb. 3.2: Konzept eines mechanischen Extruders nach Überarbeitung (durch S. Schwartz und J. Thaler des CANTER) A) Gesamtansicht, B) Detailansicht Spritzenklemmung, c) Detailansicht obere Arretierung Hydrogelen (Biotinte) 10

17 Material und Methoden 4. Material und Methoden 4.1 SolidWorks und Cura Die Ausfertigung der Konstruktionen mit 3D-CAD findet in der Forschungsabteilung mit Hilfe von SolidWorks, des Softwareunternehmens Dassault Systèmes SolidWorks Corp. statt. Durch die verhältnismäßig intuitiv aufgebaute Bedienungsoberfläche und den Einsatz der inhaltlich eingeschränkteren Version SolidEdge in vorangehenden Lehrveranstaltungen in der Hochschule, ist eine verringerte Einarbeitungszeit bei vollständig ausreichender Funktionalität innerhalb des CANTER gewährleistet. So entstandene Konstruktionsdateien werden anschließend in ein für die Slicer- Software verwendbares Format (hier: *.STL) überführt. [31] Ziel der für den in der Abteilung verwendeten und herstellerseitig empfohlenen Slicer-Software Cura ist es die Konstruktionsdaten in Befehlszeilen für den tatsächlichen Druckprozess, Schicht für Schicht zu übersetzen ( slice englisch für Scheibe/Schicht)(siehe Abb. 4.1). Durch die hierbei definierten Verfahrenswege, Verfahrensgeschwindigkeit und Extrusionsmenge wird die Auflösung (=Schichtdicke) definiert. Prinzipiell ist der ideale Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Druckqualität für die jeweilige Anwendung eingehend empirisch zu ermitteln und folgend dem Anspruch an das zu fertigende Teil und den verfügbaren Zeitrahmen anzupassen. Darüber hinaus ist die Software dafür zuständig, die vorwiegend von SolidWorks als Vollkörper übernommenen Objekte in Hohlkörper mit variabel definierbaren Wandstärken zu überführen, die Hohlraum mit angemessener Füllstruktur zur Erhöhung der internen Stabilität zu füllen und Konstruktionen mit Überhang gegebenenfalls durch temporäre Stützgerüste zu sichern. [32] Eine genaue Abstimmung der verwendeten Software auf die Hardware ist ein wichtiger Prozess zur Etablierung einer effektiven Fertigungsanlage, die exakt arbeitet und wertige, reproduzierbare Teile liefern soll. Abb. 4.1: Schematischer Übergang der in SolidWorks erzeugten STL Datei in einen G-Code durch Cura Hydrogelen (Biotinte) 11

18 Material und Methoden 4.2 Ultimaker² + PLA Das CANTER verfügt über einen eigenen 3D-Drucker, um den Entwicklungsprozess maßgeblich zu beschleunigen, da so für einen Großteil der benötigten Teile nicht auf externe Lieferanten zurückgegriffen werden muss. Dadurch entfallen eventuell anfallende Lieferzeiten und auch die Produktionskosten werden dauerhaft gesenkt. Bei der Anschaffung eines Druckers wurde sich für den Ultimaker 2 der Firma Ultimaker entschieden, da hier das Preis-Leistungs-Verhältnis für die aktuelle Anwendung ideal ist. Er kommt durch seine hohe Auflösung von bis zu 20 Mikrometern, Druckgeschwindigkeiten von bis zu 300m/s und seinem intuitiven LCD-Interface sowohl dem Streben nach zügig erstellten hochwertigen Druckergebnissen, als auch der einfachen Handhabung durch das gesamte Personal nach. Ferner lässt sich durch eine variable Düsentemperatur von bis zu 260 C eine Vielzahl von Materialien verwenden. [33] Durch die Erweiterung mit einem beheizten Druckbett, für den die Steuerung bereits werkseitig integriert ist, wurde der Fertigungsprozess weiter optimiert. In der Zukunft ist eine Testreihe mit verschiedenen Druckplattenmaterialien geplant, um so eventuelle Vorteile von z.b. Carbon gegenüber der derzeit verwendeten mit Kaptonklebeband (nähere Erläuterung in Kapitel 7) beschichteten Glasplatte zu ermitteln. Abgesehen von der regelmäßigen Wartung, wie der Kalibrierung des Druckabstandes und der Materialwechsel, läuft der Druckprozess nach Eingabe des in Cura erstellten G-Codes, gespeichert auf einer handelsüblichen SD-Speicherkarte, vollautomatisch ab (siehe Abb. 4.2). Im Anschluss an einen kurzen Abkühlprozess kann der Druck zur Verwendung bzw. weiteren manuellen Bearbeitung entnommen werden. Als Druckmaterial wird PLA (=Polylactide) Filament in der Stärke 2,85mm verwendet, ggf. in der hitzebeständigeren HT Version, wenn es die Anforderungen an ein Werkstück erfordern. Abb. 4.2: Schematischer Übergang von G-Code in ein reales Bauteil durch den Ultimaker2 Hydrogelen (Biotinte) 12

19 Material und Methoden 4.3 Manuelle Nachbearbeitung der Druckteile Unter der manuellen Nachbearbeitung der Druckteile versteht man unter anderem das Entfernen von überschüssigem Stützmaterial, das lediglich den Druckprozess positiv beeinflussen soll und nicht direkter Bestandteil des Endproduktes ist. Des Weiteren gilt es teilweise entstehende unerwünschte Oberflächenstrukturen zu glätten und eventuelle Gräte zu entfernen um die spätere Handhabung zu verbessern und Angriffsflächen für mögliche Defekte durch Ausbrechen zu minimieren. Da der Druckprozess gewissen Toleranzen unterworfen ist, kommt es oft vor, dass Bohrungen etwas nachgearbeitet werden müssen. Die Konstruktion von absichtlich minimal zu kleiner Bohrungen mit anschließender Aufbohrung ist der Überdimensionierung mit eventuell zu geringer Kontaktfläche mit Bolzen/Wellen z.b. bei Presssitzen zu bevorzugen, um einen ausreichenden Kraftschluss sicherzustellen. In der folgenden Abbildung sind Teile direkt nach dem Druckprozess, nach Ablösung von der Druckplattform und Wenden auf die Unterseite, zu sehen. Darüber hinaus eines der Teile während der anschließenden manuellen Ausarbeitung hier sind die Lagen des Stützgerüstet gut zu erkennen. A B Abb. 4.3: Druckteile direkt nach der Fertigung (A) und bei der manuellen Entfernung des Stützgerüstes (B) Hydrogelen (Biotinte) 13

20 Material und Methoden 4.4 Übernommene Kaufteile für den Prototypen Schrittmotor Aktuator NEMA 17 mit integrierter Spindel (nach Spezifikationen von Simon Huber gefertigt). Der Linear-Hybrid-Aktuator mit der Bezeichnung NEMA 17 wurde inklusive integrierter Spindel und Kunststoffmutter von dem Hersteller A-Drive Technology GmbH bezogen.[30, 34] Die Ansteuerung übernimmt die im 3D-Bioprinter derzeit integrierte Steuerung, die in der Lage ist die Schrittauflösung um den Faktor 4 zu erhöhen. Mit Hilfe des Datenblattes wird die zu Erwartende Extrudierte Menge durch die in dem Labor angestrebte Spritzenspitze berechnet. Zu beachten sind gewisse Toleranzen bei der Fertigung aller Teile und damit den Werten für die Einwegspritze, Kanüle und Spindelsteigung. Bei 400 Schritten pro Umdrehung ergeben sich 0,9 und 0,0030mm Spindelsteigung h1 pro Schritt. Mit einem Spritzeninnenradius r1 von 7,5mm und 0,205mm Radius r2 für eine schwarze Kanüle (Gauge 22) ergibt sich für das in der Spritze verdrängt Volumen pro Schritt: [35] v = π (r1) 2 h1 = π (7,5mm) 2 0,0030mm = 40,14mm³ 40,14mm³ h2 = ¼ π (0,205mm)² 76mm In dieser Kombination müsste der Druckkopf also pro Schritt den Weg von 76mm abfahren um einen Zylinder mit dem Radius 0,205mm zu verdrucken. Sollte die extrudierte Menge in der Praxis zu hoch sein empfiehlt sich eine elektronische Untersetzung durch einen geeigneten Schrittmotortreiber um die Auflösung des Linearmotors zu erhöhen und/oder eine andere Kanüle zu verwenden. Präzisions-Wellenstahl in den Dimensionen 171mm (Länge) x 6mm (Durchmesser), Werkstoff CF53, gehärtet und geschliffen der Firma Mädler [30] Linearkugellager, Typ LM6UU [30] ENSAT-S Gewindeeinsätze der Firma Kerb Konus [30] A B C D Abb. 4.4: Übersicht von Beispielfotos der Kaufteile in Reihenfolge ihrer Erwähnung A) Schrittmotor, B) Wellenstahl, C) Linearkugellager, D) Gewindeeinsätze Hydrogelen (Biotinte) 14

21 Material und Methoden 4.5 Schematische Aufbau des 3D-Bioprinter Das Labor verfügt der derzeit über zwei prinzipiell unterschiedliche 3D-Bioprinter (siehe Abb. 4.5). Neben dem ersten Drucker, der auf Basis eines Laser-Sinter-Druckers modifiziert wurde, ist durch interne studentische Entwicklung ein Prototyp der neuen Generation entstanden. Dieser dedizierte 3D-Bioprinter inkorporiert die kumulierten Erfahrungen mit dem ersten experimentellen Drucker und wird laufenden weiter an die Anforderungen des Tissue Engineering angepasst. In Kürze wird bereits eine zweite Ausführung vorhanden sein um die Forschung weiter zu beschleunigen. Dieser Typ von CANTER Bioprinter ist auf Open Source Software aufgebaut und besteht, neben normierten weltweit in der Regel leicht verfügbaren Kaufteilen, vor allem aus Teilen die von jedem handelsüblichen Kunststoff 3D-Drucker erstellt werden können. Somit wird aktiv das Ziel verfolgt einen praktisch jederzeit verhältnismäßig einfach, schnell und kostengünstig replizierbaren 3D-Bioprinter zu entwickeln. Hierbei soll der Grundstein gelegt werden, um eine rasche zukünftige Forschung mit einem freien Austausch innerhalb der wissenschaftlichen Gesellschaft zu ermöglichen. Im Folgenden soll noch etwas näher auf den experimentellen Bioprinter eingegangen werden, da der mechanische Extruder vorwiegend hier vorgesehen ist in Verbindung mit weiteren Projekten wie einer neuen Art der automatisierten Quervernetzung der gedruckten Gele. Die offene Bauweise und der großzügige Platz für Versuchsaufbauten prädestinieren den ersten Drucker für dieses Projekt. Der aus kräftigen Aluminium Schnellbauprofilen gefertigte Rahmen trägt die sehr präzise verfahrende Kugelumlauf-Führungen zur mechanischen Ausführung der einzelnen Achsen. Sowohl die X- als auch Y-Achse bewegt den Druckkopf, wohingegen die Z-Achse durch heben bzw. senken der Bauplattform erzielt wird. Ohne vorhandene Positionsabfrage der Achsen, verlässt sich das System auf Endkontaktschalter an allen notwendigen Stellen, um Beschädigungen zu verhindern. Im Gegensatz zu dem neuen kompakten Prototypen ist dieses Modell in der Lage bleibenden Schaden an allen Bauteilen, im Falle einer unkontrollierten Fehlfunktion, zu verursachen und bedarf deshalb dieser Vorkehrungen. Selbige Kontaktschalter dienen ebenfalls dazu die Home-Position (=Ausgangsposition) anzufahren. In seiner derzeitigen Bestückung verfügt der Drucker über einen maximalen Druckraum von 100mm x 100mm x 150mm. [36] A B Abb. 4.5: Die 3D-Bioprinter Prototypen des CANTER A) Experimenteller Bioprinter, B) neuer Prototyp des CANTER Bioprinters Hydrogelen (Biotinte) 15

22 Versuch der Validierung des übernommenen Konzepts 5. Versuch der Validierung des übernommenen Konzepts Nachdem eine Eingangskontrolle aller Kaufteile zur Zufriedenheit erfolgt ist, sollen im nächsten Schritt die ersten Teile mit Hilfe des Ultimaker² gefertigt werden. Hierbei zeigten sich sofort einige Besonderheiten dieses Fertigungsprozesses. Erstens ist zu erwähnen, dass für ein strukturell integres Produkt ein konstruktionelles Runden sämtlicher scharfer Kanten essenziell ist, um der möglichen Ablösung einzelner Schichten vorzubeugen und insgesamt die Stabilität zu erhöhen. Darüber hinaus kommt es durch den Abkühlprozess zu einem gewissen Schrumpfen der Teile, das vor allem bei Bohrungen wahrgenommen werden und einen geplanten Zusammenbau verhindern kann. An diesem Punkt angelangen gilt es, sich zwischen einer Anpassung des Bauplanes, inklusive eines neuen Druckversuchs oder der manuellen Erweiterung durch Aufbohren der fehlerhaften Bohrungen, abzuwägen. Letzteres birgt das Potential, die oft aus Gründen der Produktionsgeschwindigkeit, Material- und Gewichtsersparnis relativ dünn gewählte Wandstärke gefährlich zu reduzieren, mit entsprechenden Folgen für den Formerhalt des Werkstückes. Infolge dieser Erkenntnis wurden einige Probeteile vermessen und deren Ist-Werte mit den Soll- Werten der Konstruktionszeichnungen verglichen um einen möglichen Korrekturfaktor, nominal oder prozentual, zu ermitteln. Diese empirische Ermittlung ergab für den ausschließlich im Folgenden eingesetzten Ultimaker² (da Abweichungen selbst zwischen unterschiedlichen Exemplaren desselben Typs nicht auszuschließen sind) und Software, in dem relevanten Bereich der Größenordnungen eine Abweichung von 0,25mm im Durchmesser. Die für den Fertigungsprozess korrigierten Teile konnten nun gedruckt und zur Validierung zusammengebaut werden. Hierbei wurden folgende Erfahrungen gemacht: 1. Die Ensat Gewindeeinsätze sind für diese Anwendung nur bedingt zu empfehlen. Sie erfordern ein zeitaufwendiges Schneiden von Gewinden in die PLA-Grundplatte. Die dadurch verringerte Wandstärke wird durch die Gewindeeinsätze und das anschließende Montieren von Bauteilen und Schrauben überbelastet und neigt zum Einreißen, so dass eine exakte Führung nicht sicher gewährleistet werden kann. 2. Die vorgesehenen Halteplatten scheinen konstruktionsbedingt bereits einen ausreichenden Presssitz für die Führungswellen zu haben, ohne das die passenden Schrauben zur Verspannung eingesetzt werden. 3. Das Rückgrat und die Halteplatten sind insgesamt unverhältnismäßig massiv gewählt 4. Die Grundplatte ist nicht deckungsgleich mit der Aufnahme der im Labor vorhandenen Drucker 5. Die Durchgangsbohrungen um die Grundplatte an den Extruderschlitten des Druckers zu verschrauben sind in ihrem Durchmesser als Gewindebohrung ausgelegt 6. Es ist kein Platz für Unterlegscheiben bei der Montage des Motors vorgesehen Da es ernsthafte Bedenken über eine Verwendung des Druckkopfs in dieser Ausführung gibt, weil das Gewicht fertig zusammengebaut mit erwarteten fast 1 kg und der hohe Schwerpunkt die derzeitige Aufnahme beschädigen könnte. Beziehungsweise ist zu erwarten, dass die Pendelneigung bei den schnellen Druckbewegungen mindestens langfristig zu einem Ermüdungsbruch der Aufnahme und kurzfristig zu unpräzisen Druckergebnissen führen würde. Unmittelbares Potential zur Gewichtsreduzierung stellt die Wegrationalisierung des Aluminiumrückgrates inklusive dem oberen Klemmenhalter inklusive der Befestigungsschrauben dar, um eine zeitnahe Montage und erste Probe des Antriebskonzeptes zu ermöglichen (siehe Abb. 5.1). Hydrogelen (Biotinte) 16

23 Versuch der Validierung des übernommenen Konzepts A B Abb. 5.1: Wiegen des fast vollständigen Druckkopfes (A) und des potentiellen Gewichtsersparnisses (B) Ziel der ersten eigeneständigen Konstruktion ist ein kompakter stabiler Halter zwischen Grundplatte und dem unteren Klemmenhalter. Nach Konstruktion mit Hilfe der bekannten Korrekturfaktoren für den verwendeten Ultimaker², wurde dieser gedruckt und das Rückgrat des Druckkopfes ersetzt. A B Abb. 5.2: Detaildarstellung des Halter Mini (A) und Wiegen des umgebauten Druckkopfes (B) Hydrogelen (Biotinte) 17

24 Versuch der Validierung des übernommenen Konzepts Im direkten Vergleich konnten so circa 310 Gramm eingespart werden, was etwa einem Drittel des Gesamtgewichts entspricht. Abbildung 5.2 zeigt eine 3D-Ansicht des neuen Halters und das neue Gewicht des zum gleichen Grad wie zuvor montierten Prototyps. Der Zusammenbau der Magnetklemmvorrichtung für den Korpus der Spritze durch Einkleben von leistungsfähigen Neodym-Magneten zeugte von dem hohen Potential dieser Art von Kraftschluss für das Projekt. Eine spielfreie Einfassung der Spritze blieb jedoch aus. Ein eingeklebtes Stück Moosgummi oder etwas Vergleichbares müsste für eine ausreichende Sicherheit des Spritzengehäuses sorgen. Eine exakte Konstruktion ohne Gummieinsatz ist auf Grund der Streuung der Durchmesser der Einwegspritzen hier nicht ohne weiteres möglich. Die improvisierte Ansteuerung des Motors über den Bioprinter erfolgte erfolgreich und wurde so im Team als vorläufiges Proof of Concept (dt.: Machbarkeitsnachweis) für das Motor- und Steuerungskonzept ausgelegt und eine Neukonstruktion mit einer überarbeiteten und erweiterten Anforderungsliste beschlossen. Für den Probelauf des Motors musste der Kolbenschlitten manuell angepasst werden, da dieser sonst bei zunehmend entleerter Spritze in die Halteschrauben des Rückgrats stieß. Neuerungen sollten unter anderem die ursprünglich geplante Heizung, eine beidseitige Arretierung der Spritze, die aktuelle Grundplatte und eine allgemeine Minimierung der Baugröße/höhe, Teilezahl, Montageaufwand und vor allem aber auch Gewicht und Schwerpunkt umfassen. Hydrogelen (Biotinte) 18

25 Konzeption und Konstruktion eines neuen Prototypen 6. Konzeption und Konstruktion eines neuen Prototypen Auf Grund der Erfahrungen mit dem ersten Prototyp, durch CANTER-interne Meetings und Absprachen wurden Kriterien für einen neuen Prototyp geschaffen. Die erweiterte Anforderungsliste umfasst folgende Punkte: Aktualisierung der Grundplatte Optimierung für den 3D-Druck -> Minimierung speziell angefertigter Kaufteile Vollständige Entleerbarkeit der Einwegspritze -> Material- und Kosteneinsparung Etablierung der Retraction Funktion durch beidseitige Arretierung der Spritze Automatisierung des Spritzenwechselprozesses Positionsabfrage/ -sensor bzw. Kalibrierungsmöglichkeit auf Home Position Notschalter/kontakte um Beschädigungen des Druckkopfes vorzubeugen Eliminierung der Hebelwirkung durch den Spalt zwischen Rückgrat und Grundplatte Erweiterbarkeit durch zusätzliche Module z.b. zur Quervernetzung der Gele Integration einer gesteuerten Heizung der Biotinte Minimierung von Gewicht, Bauhöhe, Schwerpunkt und Pendelneigung Einhaltung der derzeit vorliegenden bauraumbedingten Limitationen im neuen 3D-Bioprinter 6.1 Neudesign der Grundplatte Um den neuen Ansprüchen möglichst genau zu entsprechen, wird in einer schrittweisen Evolution eine neue Grundplatte entwickelt. In einem ersten Schritt wird ein passendes Gegenstück zu dem aktuellen Aufnahmeschlitten des 3D- Bioprinters erzeugt, um die Grundfläche zu aktualisieren und eine exakte Passung zu ermöglichen. Ebenfalls ist die zentrale Lage der Motorspindel in der Grundplatte und der horizontale Abstand zur Mitte des Spritzenkolbens durch den verfügbaren Bauraum und die geleistete Vorarbeit diktiert und wird passend auf das neue Konzept übertragen. Abbildung 6.1 zeigt eine erste Ansicht der neuen Grundplatte. Hier ist der Motor bereits weiter nach unten versetzt an der Grundplatte montiert vorgesehen. A B Bohrungen zur Verschraubung des Motors Abb. 6.1: Die erste Evolutionsstufe der Grundplatte. A) Oberseite, B) Unterseite Hydrogelen (Biotinte) 19

26 Konzeption und Konstruktion eines neuen Prototypen Als eine der wichtigsten Neuerung des Designs sollen die Führungswellen direkt in die Grundplatte montiert werden. Hierzu sind Bohrungen für einen Presssitz der Wellen vorgesehen, die über eine Brücke oberhalb der Motorbohrung miteinander verstrebt und somit versteift werden soll. Dieses Konzept vereint gleichzeitig mehrere Kriterien der Anforderungsliste. Durch das Wegfallen des massiven Rückgrats aus Aluminium und der dazugehörigen beiden speziell angefertigten Halteklammern kann sowohl Gewicht, Bauraum, Kosten und Produktionszeit gespart werden und eine Auslegung des Designs auf die hauseigene Produktion mit Hilfe der 3D-Druck-Technologie findet statt. Ebenfalls wird der Spalt zwischen Klemmhalter und Grundplatte des ursprünglichen Prototyps und die damit eingehende Hebelwirkung eliminieren. Darüber hinaus wird jetzt eine Ummantelung der Spritze mit Vorkehrungen für eine integrierte Heizung konstruiert, die sich an das Konzept des bereits in der Forschungsgruppe etablierten pneumatischen Extruders orientiert. In dem Kapitel 7.2 Zusammenbau des Heizelementes wird näher auf diesen Aspekt eingegangen. Dieser nun vorliegende Rohbau des Konzepts wird in Abbildung 6.2 dargestellt. Wellenbrücke Heizungsgehäuse Abb. 6.2: Die zweite Evolutionsstufe der Grundplatte inkl. Heizungsgehäuse und Wellenbrücke 6.2 Optimierung des Druckkopfdesigns auf den 3D-Druck In einem weiteren Schritt werden alle Vorkehrungen für einen Ausdruck der Konstruktion getroffen. Dies geschieht, um dem Team einen theoretisch nutzbaren Prototypen vorstellen zu können. Hierbei gewonnenes Feedback zu der bisherigen Herangehensweise und der zusätzlicher Wissensgewinn über den weiteren Verlauf des Projektes sollen die Generierung eines für alle Beteiligte und zukünftige Nutzer zufriedenstellenden Prototyps sicherstellen. Die Fokussierung auf die Fertigung durch 3D-Druck stützt sich auf die nachhaltigen Vorteile in Bezug auf Produktionsgeschwindigkeiten, der freieren gestalterischen Vielfalt und damit einhergehenden Flexibilität bei der Konstruktion und konstanten zukünftigen Optimierung des Prototyps. Hierzu gehört das Runden jeglicher Kanten, das sich in hohem Grad an der Ausarbeitung der Wellenbrücke erkennen lässt (siehe Abb. 6.3). Ebenfalls wurde das Kompartiment der Spitzenheizung um 90 Grad gedreht, um den für die Halterung im Drucker nötigen Raum freizugeben. Zusätzlich sind so die vorgesehenen zwei Bohrungen für die Klemmung der Heizung (oben in der Seitenwand) und wichtiger, die unterste Bohrung für die Anbringung eventueller zusätzlicher Module, auch im eingebauten Zustand, leichter zugänglich. Hydrogelen (Biotinte) 20