Forscher drucken spiralförmige Röhren basierend auf Hai-Darm in 3D
Die additive Fertigung wird von Laboren und Universitäten zunehmend für Forschungszwecke eingesetzt. Denn die Technologie ermöglicht es, Elemente und Details zu untersuchen, die mit anderen Methoden nicht reproduziert werden können. Ein Beispiel dafür ist eine ägyptische Mumie, die dank der 3D-Technologien untersucht werden konnte, ohne die Artefakte zu zerstören. Dies wird dadurch möglich, weil die Forscher den zu untersuchenden Teil in 3D scannen können, bevor sie einen digitalen Zwilling des Teils erhalten und diesen dann durch 3D-Druck reproduzieren. Diese Methode wird weiterhin verwendet. So hat beispielsweise ein Forscherteam der University of Washington unter der Leitung des Physikers Ido Levin 3D-Technologien eingesetzt, um die Funktionsweise des Darms von einem Hai zu untersuchen und ihn für eine Reihe von Anwendungen nachzuahmen: von der Entwicklung spiralförmiger Röhren bis hin zum so genannten „Soft Roboter“, der von der Natur inspiriert ist.
Überraschenderweise ist noch nicht bekannt was Haie genau fressen oder wie ihr Darm funktioniert. Die ersten Bilder, die zu einem Durchbruch in diesem Bereich führten, wurden 2021 von einem Team veröffentlicht, das sich aus Forschern der California State University Dominguez Hills, der University of Washington und der University of California zusammensetzt. Die Forscher nutzten einen 3D-Scanner, um die Eingeweide von Hundshaien zu scannen, die im Naturkundemuseum in Los Angeles aufbewahrt werden, und erstellten 3D-Bilder, die untersucht werden konnten.
Die Ergebnisse waren außergewöhnlich und führten zu der Erkenntnis, dass diese spiralförmigen Organe die Bewegung der Nahrung verlangsamen und sie nach unten durch den Darm leiten. Dabei wird die Schwerkraft genutzt und zusätzlich die Peristaltik, was die rhythmische Kontraktion der glatten Darmmuskulatur bedeutet. Die Därme würden auf die gleiche Weise funktionieren wie das von Nikola Tesla 1920 patentierte Ventil. Eine neuere Studie deutet außerdem darauf hin, dass diese Strukturen auch asymmetrische Strömungen aufweisen, die den Fluss entlang des Verdauungsweges (von vorne nach hinten) fördern. Die Forscher der University of Washington wollten sich diese Eigenschaften zunutze machen, um bessere spiralförmige Röhren zu entwickeln.
3D-Druck von Hai-Darm inspirierten Geräten
Die Ergebnisse der Studie wurden im Februar 2023 veröffentlicht, nachdem die Forscher Nachbildungen des Haifischdarms in 3D gedruckt hatten, um die zugrunde liegende Physik zu untersuchen. Unter der Leitung des Physikers Ido Levin druckten die Forscher der University of Washington dann vereinfachte biomimetische Modelle von spiralförmigen Haidärmen in 3D. Durch die Messung der Strömung verschiedener Flüssigkeiten durch diese Strukturen in beiden Richtungen konnten ihre hydrodynamischen Eigenschaften ermittelt werden. Indem sie die Strukturen mit weicheren Materialien druckten, untersuchten die Forscher die Wechselwirkung zwischen der Verformung der Röhre und der Fließgeschwindigkeit.
Bild: Ido Levin/ University of Washington
Diese Ergebnisse sind wichtig, weil sie für die Konstruktion von Strukturen verwendet werden können, die eine Kontrolle des Flüssigkeitsstroms und des Pumpens erfordern. Eine solche Fähigkeit zur Steuerung der Strömungsrichtung hat ein erhebliches Potenzial für technische Anwendungen, die von industriellen Rohrleitungen über mikrofluidische Geräte und Soft-Robotik bis hin zu medizinischen Implantaten reichen. Nützlich könnten die Ergebnisse daher in vielen Industriezweigen sein, unter anderem in der Lebensmittel-, Medizin-, Pharma- und Energiebranche. Weitere Informationen über die Studie finden Sie in der Veröffentlichung HIER.
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*Titelbild: CT-Aufnahme des spiralförmigen Darms des Pazifischen Dornhais (Squalus suckleyi). Der Anfang des Darms ist links und das Ende rechts (Bildnachweis: Samantha Leigh/California State University Dominguez Hills)
