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Mikroalgen enthalten nicht nur kostbare Wertstoffe. Sie sind auch begehrte und vor allem effiziente Biofabriken, um biogene Rohstoffe für Farb- und Kunststoffe oder Biosprit herzustellen. Sie benötigen lediglich Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser, um schnell große Mengen an Biomasse zu produzieren. Außerdem wird bei der Kultivierung von Mikroalgen Kohlendioxid gebunden. Ein internationales Forschungsteam unter Leitung der Universität Heidelberg hat nun das Einsatzspektrum mikroalgenbasierter Produkte erweitert. Einem Team um Eva Blasco ist es erstmals gelungen, mit den aus Mikroalgen gewonnenen Farbstoffen Biotinten herzustellen, die für den hochauflösenden dreidimensionalen Laserdruck geeignet sind.

Photoaktive Farbstoffe in Kiesel- und Grünalge

„Trotz ihrer Vorteile sind Mikroalgen als Rohstoffe für den lichtbasierten 3D-Druck kaum in Betracht gezogen worden“, sagt Eva Blasco vom Institute for Molecular Systems Engineering and Advanced Materials (IMSEAM) der Universität Heidelberg.  Wie das Team im Fachmagazin „Advanced Materials“ berichtet, wurden mit der Kieselalge Odontella aurita und der Grünalge Tetraselmis striata zwei Arten zur Herstellung der Biotinten ausgewählt, die besonders viele Fette in Form von Triglyzeriden enthalten.

Diese Triglyzeride wurden von den Forschenden extrahiert und mit Acrylaten funktionalisiert, um eine schnelle Aushärtung bei Lichteinstrahlung durch den Laser zu ermöglichen. Durch den Laserstrahl werden spezielle Moleküle in der Biotinte, sogenannte Photoinitiatoren, aktiviert. Dadurch kommt es zu einer chemischen Reaktion, wodurch die Tinte zu einer dreidimensionalen Struktur verfestigt wird. Die in den beiden Mikroalgen vorhandenen photoaktiven grünen Farbstoffe hatten sich als Photoinitiatoren besonders geeignet.

Diverse 3D-Mikrostrukturen mit Biotinte hergestellt

Bei dem hochpräzisen Verfahren des 3D-Laserdrucks werden bisher hauptsächlich Tinten aus erdölbasierten Polymeren verwendet. Den Forschenden zufolge konnten mit dem neu entwickelten Tintensystem bereits „verschiedene 3D-Mikrostrukturen mit hoher Präzision und komplexen Merkmalen wie überhängenden Dächern oder Hohlräumen“ hergestellt werden. „Damit vermeiden wir den Einsatz von potenziell toxischen Zusatzstoffen wie Photoinitiatoren, die in herkömmlichen Tinten verwendet werden“, erklärt Erstautorin Clara Vazquez-Martel, Doktorandin in der Forschungsgruppe von Eva Blasco am IMSEAM.

Biokompatibilität der Zellkulturen bei nahezu 100 %

Anhand von Zellkulturen untersuchte das Team auch die Biokompatibilität der mikroalgenbasierten Tinten. Der Studie zufolge lag die Überlebensrate der Zellkulturen bei „nahezu 100 %“.  „Unsere Ergebnisse eröffnen nicht nur neue Möglichkeiten für einen nachhaltigeren 3D-Druck mit Licht, sondern auch für lebenswissenschaftliche Anwendungen – von dreidimensionalen Zellkulturen bis hin zu biokompatiblen Implantaten“, sagt Blasco.

An der Studie waren neben der Universität Heidelberg auch Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie und der Universidad de Las Palmas auf Gran Canaria beteiligt.

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Microalgae not only contain valuable resources. They are also coveted and, above all, efficient biofactories for producing biogenic raw materials for dyes, plastics and biofuel. They only need sunlight, carbon dioxide and water to quickly produce large quantities of biomass. In addition, the cultivation of microalgae binds carbon dioxide. An international research team led by Heidelberg University has now expanded the range of applications for microalgae-based products. A team led by Eva Blasco has succeeded for the first time in using the dyes obtained from microalgae to produce bioinks that are suitable for high-resolution three-dimensional laser printing.

Photoactive dyes in diatoms and green algae

“Despite their advantages, microalgae have hardly been considered as raw materials for light-based 3D printing,” says Eva Blasco from the Institute for Molecular Systems Engineering and Advanced Materials (IMSEAM) at Heidelberg University. As the team reports in the journal "Advanced Materials", the diatom Odontella aurita and the green alga Tetraselmis striata were selected as two species for the production of the bioinks that contain a particularly high amount of fats in the form of triglycerides.

These triglycerides were extracted by the researchers and functionalized with acrylates to enable rapid curing when exposed to light from the laser. The laser beam activates special molecules in the bio-ink, known as photoinitiators. This results in a chemical reaction, which solidifies the ink into a three-dimensional structure. The photoactive green dyes present in the two microalgae proved to be particularly suitable as photoinitiators.

Various 3D microstructures produced with bio-ink

The high-precision 3D laser printing process has so far mainly used inks made from petroleum-based polymers. According to the researchers, the newly developed ink system has already been used to produce “various 3D microstructures with high precision and complex features such as overhanging roofs or cavities”. “This allows us to avoid the use of potentially toxic additives such as photoinitiators, which are used in conventional inks,” explains first author Clara Vazquez-Martel, a PhD student in Eva Blasco's research group at IMSEAM.

Biocompatibility of the cell cultures at almost 100%

Using cell cultures, the team also investigated the biocompatibility of the microalgae-based inks. According to the study, the survival rate of the cell cultures was “almost 100%”.  “Our results not only open up new possibilities for more sustainable 3D printing with light, but also for life science applications – from three-dimensional cell cultures to biocompatible implants,” says Blasco.

In addition to Heidelberg University, researchers from the Karlsruhe Institute of Technology and the Universidad de Las Palmas on Gran Canaria were also involved in the study.

bb

Mit dem Deutschen Nachhaltigkeitspreis (DNP) werden jedes Jahr Innovationen geehrt, die Lösungen für die wichtigsten Herausforderungen der Zukunft liefern und damit wegweisend für eine nachhaltige Entwicklung sind. Im nunmehr 17. Wettbewerb werden konkret Pioniere in den Kategorien Unternehmen, Architektur, Sport, Internationaler DNP sowie erstmals auch Gesundheit und Produkte ausgezeichnet.  Für die Sparte Architektur wurden nun die Nominierten für den diesjährigen DNP bekannt gegeben.

Neun Bauprojekte für DNP nominiert

Bei den Ausgewählten handelt es sich nach Angaben des DNP um eine „bunte Mischung aus Bestands- und Neubauprojekten unterschiedlicher Gebäudenutzungen“. Insgesamt können neun innovative Bauvorhaben auf eine Auszeichnung hoffen. Darunter auch der Hybrid-Flachs-Pavillon, den Forschende der Universität Stuttgart für die diesjährige Landesgartenschau in Wangen entwickelt haben.

Richtungsweisender Ansatz für nachhaltiges Bauen

Die Jury sieht eigenen Angaben nach „im Hybrid-Flachs-Pavillon einen richtungsweisenden Ansatz des materialeffizienten Bauens mit nachwachsenden Rohstoffen“. Der traditionell für Textilien aus Leinen verwendete Flachs könne durch den Einsatz weit entwickelter technologischer Prozesse den Ressourceneinsatz signifikant verringern, so die Begründung der Jury. Durch den Einsatz von Holz und Flachs kann der Pavillon vollständig zurückgebaut und das Material wiederverwendet werden.

Das Innovative daran ist jedoch die wellenförmige Dachkonstruktion, die nach dem Vorbild des geschwungenen Argen-Flusslaufs entworfen wurde. Sie beruht auf einem neuartigen und ressourcenschonenden Trägersystem. Diese Konstruktion verbindet Sperrholzplatten und Naturfaserkörper, die durch kernloses Wickeln von Flachsfasern hergestellt wurden. Dabei wechseln sich Hybridbauteile mit herkömmlichen Holzelementen ab und bilden so die wellenförmige Struktur des Daches.

„Mit Projekten wie dem Hybrid-Flachs-Pavillon wollen wir Lösungen für zukunftsfähiges Planen und Bauen zeigen und einen zweiseitigen Wissenstransfer zwischen Forschung und Bauunternehmen ermöglichen. Die Nominierung für den diesjährigen Deutschen Nachhaltigkeitspreis in der Kategorie Architektur zeigt einmal mehr, dass wir auf dem richtigen Weg sind“, sagt Achim Menges, Leiter des Instituts für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung (ICD) und Sprecher des Exzellenzclusters Integratives computerbasiertes Planen und Bauen für die Architektur (IntCDC).

Auch Kindertagesstätten, Familienzentren, Lagerhallen und Industriebauten gehören zu den Nominierten des diesjährigen Deutschen Nachhaltigkeitspreises in der Kategorie Architektur. Das verbindende Element der Gebäude ist dabei jeweils der Rohstoff Holz, der vielfältig – sowohl zur Fassaden- als auch Innenraumgestaltung – eingesetzt wurde.

Nachhaltiger Industriebau in Leutkirch

So auch im neu gebauten Werk II für Sensor-Technologie der Firma elobau in Leutkirch. Der eingeschossige Erweiterungsbau besteht aus zwei Hallen und steht für eine emissions- und ressourceneffiziente Bauweise, die Produktions- sowie Büroarbeitsplätze miteinander kombiniert. „Für die Mitarbeitenden entstehen eng miteinander verknüpfte Büro- und Produktionsbereiche auf ‚Augenhöhe‘“, schreibt die Jury. Die Außenwand der Hallen besteht aus Lärchenholzschindeln, das Scheddach ist eine Holzkonstruktion aus Brettschichtholz (Nadelholz) und Baubuche. Die Ausrichtung des Scheddach-Gebäudes sorgt außerdem dafür, dass auf künstliches Licht größtenteils verzichtet werden kann. Eine Photovoltaikanlage sowie eine nahe gelegene Biogasanlage versorgen die Hallen mit Energie. „Die Jury würdigt hier das erfolgreiche Bestreben der Projektbeteiligten, die an das Bauen von heute zu stellenden ökologischen Anforderungen und sozialen Aspekte der Nutzenden für einen Neubau für Produktion und Verwaltung miteinander zu vereinbaren.“