Die TH90 mit Spindelantrieb hatte im direkten Vergleich zu den Produkten mehrerer anderer Anbieter überzeugt.

Das Ziel des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) geförderten Kooperationsvorhabens “RoboGel“ war die Entwicklung eines vollautomatisch arbeitenden 3D-Biodruckers, der lebende Zellen Schicht für Schicht unter einer Stützflüssigkeit drucken sollte. Am Ende des Forschungs- und Entwicklungsprojektes, das vom Lehr- und Forschungsgebiet für Zahnärztliche Werkstoffkunde und Biomaterialforschung am Uniklinikum der RWTH Aachen gemeinsam mit der HiTec Zang GmbH aus Herzogenrath bearbeitet wurde, sollte ein marktfähiger Biodrucker stehen, der technisch mit kommerziell verfügbaren 3D-Druckern vergleichbar ist.

Aus lebenden Zellen modelliert

Bioprinting ist ein spezielles Tissue-Engineering-Verfahren, dem das bekannte Prinzips des Rapid Prototyping zugrunde liegt. Im klassischen Tissue-Engineering werden künstliche Gewebe aus mehreren Komponenten in mehreren Schritten aufgebaut. Das Projekt “RoboGel“ hingegen verfolgte einen völlig neuen Ansatz: die Herstellung dreidimensionaler, lebender Gewebe. Mit Zellen beladene Hydrogele werden dazu gemäß eines Modells Schicht für Schicht aufgetragen. Die ausgedruckten Hydrogelstrukturen werden mit Signalmolekülen versorgt und in einem Nährmedium inkubiert, so dass die Zellen sich reproduzieren und am Ende das gesamte Objekt aus der gewünschten Zellstruktur besteht. Mit Hilfe des Bioprintings lassen sich prinzipiell auch komplexe 3D-Gewebe aus unterschiedlichen Materialien und mit verschiedenen Zelltypen aufbauen.

Mit einem Trick zum Zentimetermaßstab

Aufgrund ihrer geringen Festigkeit ließen sich mit der bisher verfügbaren Technik nur wenige hundert Mikrometer bis wenige Millimeter hohe Hydrogelstrukturen mit ausreichender Maßhaltigkeit fertigen. Mit dem neuen Verfahren, das zum Patent angemeldet wurde, können mehrschichtige Hydrogelstrukturen im Zentimetermaßstab hergestellt werden. Um hohe Zellkonstrukte zu stabilisieren und mit Nährstoffen zu versorgen, wird der Strukturaufbau in einer Stützflüssigkeit aus Fluorocarbon durchgeführt. Gedruckt wurden bisher nur reine Knorpelzellen, aber die nächsten Stufen sind schon geplant. Da für höhere Gewebe verschiedene Zelltypen benötigt werden, bietet der im Kooperationsprojekt entwickelte 3D-Biodrucker die Möglichkeit, mit mehreren Druckköpfen unterschiedliche Zelltypen parallel zu einem komplexen Zellverbund zu drucken. So sollen später auch komplizierte Strukturen mit verschiedenen Gewebearten erstellt werden. Denkbar wäre die Herstellung von Blutgefäßen, die dann in einem Inkubator heranwachsen oder langfristig die Produktion ganzer Organe.

Multifunktionale Laborrobotersysteme

Auf Basis eines SciBot Laborroboters und einer Rollon-Linearachse TH90 wurde ein 3D-Biodrucker für die Herstellung lebender Gewebe im Zentimetermaßstab entwickelt

Das Systemhaus HiTec Zang beschäftigt sich seit 1979 mit der Entwicklung kundenspezifischer Hardware für die Laborautomatisierung. Seit einigen Jahren gehören unter der Marke SciBot^® auch anwendungsspezifische Laborroboter dazu. Sie können zum Beispiel mit Online-Analytik, externen Pumpen oder Ventilen ebenso gekoppelt werden wie mit einem Werkzeugwechsler, der verschiedene Aktoren, Sensoren oder Werkzeuge aufnimmt.

Alles hängt an einer Achse

Auf der Basis eines SciBot^® erfolgte die Entwicklung des Biodruckers. Herzstück des Laborroboters ist eine hochpräzise Linearachse, die an zwei Trägern über dem SciBot befestigt ist und ein Portal bildet. Am Läufer der Linearachse können die entsprechenden Greifer, Werkzeuge oder eben Druckköpfe befestigt werden. Die Linearachse versetzt den Roboter damit in die Lage Objekte zu manipulieren. Bei dieser zentralen Baugruppe entschieden sich die Projektbeteiligten für eine TH90 Linearachse mit Kugelgewindetrieb aus der Produktfamilie Precision System von Rollon. Vor dem Bau des Prototyps wurden viele Linearachsen mehrerer Anbieter verglichen. Den Ausschlag für die TH90 gab schließlich die hohe Positionier- und Wiederholgenauigkeit, die innerhalb von 5 µm liegt. Außerdem erzeugt die TH90 ein niedriges Anlaufmoment, ist sehr kompakt gebaut und erreicht eine sehr hohe Verfahrgeschwindigkeit von bis zu 1,4 Metern pro Sekunde. Alle diese Eigenschaften sind für einen präzisen, schnellen und markttauglichen 3D-Drucker essenziell. Hinzu kam das gute Preis-Leistungsverhältnis, das aus dem Mitbewerberumfeld deutlich herausstach.

Stabilität trifft auf Präzision

Die Linearachsen der Baureihe TH sind sehr verwindungssteif. Die Übertragung der Schubkraft erfolgt mit hocheffizienten Kugelgewindetrieben, die in verschiedenen Präzisionsklassen und Gewindesteigungen erhältlich sind. Die Linearbewegung erfolgt mit zwei oder vier vorgespannten Linearführungswagen mit Kugelkäfigtechnologie, die auf zwei präzise ausgerichteten Schienen montiert sind. Die Baureihe TH ist mit einfachem oder doppeltem Laufwagen erhältlich, um verschiedene Belastungsanforderungen zu erfüllen. Die Lineareinheiten der Baureihe TH verfügen darüber hinaus über separate Schmierleitungen für die Kugelumlaufführungen und den Kugelgewindetrieb, um eine sichere Schmierung zu gewährleisten. Die Linearachse TH ist in drei Baugrößen mit 90, 110 und 145 mm Breite erhältlich. kf