GEA 均质机驱动再生医学用生物墨水

GEA 热衷于推动工业加工领域的创新，致力于在酿酒、生物医药等多个行业真正践行公司宗旨“工程成就更美好世界”。公司的工程师也乐于迎接挑战。因此，2020 年代初期，格拉茨技术大学的科学家找到 GEA，希望配置一种均质化工艺和技术，将桉木浆转化为可 3D 打印的有机结构，模拟人体静脉、动脉及其他组织。GEA 随即与大学团队展开合作，迅速投入工作。

GEA 团队深入了解科学家的研究内容、挑战和目标，深刻认识到均质化在将桉木浆转化为纳米结构纤维素中的关键作用。短短几年内，团队与学术项目负责人、格拉茨技术大学生物基系统化学与技术研究所 (IBioSys) 副所长 Karin Stana Kleinschek 教授（博士）紧密合作，开发出了一套稳健的均质化工艺。该工艺使研究人员能够将桉木衍生的纳米纤维素加工成液态“墨水”。

这些基于纳米纤维素的墨水可通过 3D 打印，制造出模拟人体不同组织（例如血管和气管）各向异性生物力学特性的结构，IBioSys 助理教授 Rupert Kargl 博士解释道。经过适当的测试后，这些由可再生资源制成的植物衍生“组织”可用于制备解剖结构和生物力学特性与患者´动脉相似的器官模型。“这些模型未来有望供外科医生规划心血管手术，并根据患者的解剖结构调整植入物，”Kargl 表示。

这些模型未来有望供外科医生规划心血管手术，并根据患者的解剖结构调整植入物。

Rupert Kargl 博士

IBioSys 助理教授

从长远来看，生物基 3D 打印组织或许能为传统自体移植提供更灵活的替代方案。传统自体移植是指临床医生从患者身体某一部位取出组织（例如静脉），并将其直接替换身体其他部位受损的组织。3D 打印移植替代组织的能力或许还能实现更加个性化的治疗方案设计。“为此，3D 打印支架可以接种人体细胞进行体外组织培养，然后植入成熟器官，”Kargl 指出。“然而，这项技术的临床应用仍需数年甚至数十年的研发和监管审批。”

格拉茨技术大学生物基系统化学与技术研究所 (IBioSys) 副所长 Karin Stana Kleinschek 教授（博士）（左）与 GEA 均质化工艺负责人 Silvia Grasselli 博士交流。

定制硬件：GEA Panther 均质机 3006

为了正在进行的项目，格拉茨技术大学团队于 2024 年采购了一台 GEA Panther 均质机 3006，这是一款紧凑型系统，每小时可处理多达 50 升的纳米纤维素墨水。纳米纤维素乳液难以泵送，标准均质机（例如用于乳制品加工的设备）并不适用。因此，针对格拉茨技术大学的纳米纤维素工艺，GEA 设计并配置了一台经过优化的 Panther 装置，用于处理这一材料，该系统还包含灌装泵和冷却装置。

GEA 均质化工艺技术负责人 Silvia Grasselli 博士与 Stana Kleinschek 和 IBioSys 团队共同推动了纳米纤维素均质化工艺的合作。她解释道，为了同时开发工艺和均质机系统，GEA 率先在其均质化卓越中心开展了小体积测试，验证工艺可行性的同时，优化了工艺参数和均质机设置与组件配置。

随后，工程师们在更大规模上优化了工艺和技术，并重点解决了潜在的挑战，尤其是纤维素-水乳液的泵送性问题。GEA 代表还于 2024 年前往格拉茨技术大学，在现场安装 Panther 3006 系统均质机，执行并检查系统配置，并帮助 Stana Kleinschek 团队进行操作培训。

该均质机为一体化设计，操作界面友好，便于格拉茨技术大学团队进行日常操作、编程和维护。重要的是，科学家可以根据需要调节均质化工艺，从而精确控制纳米纤维素纤维和 3D 打印墨水的结构，使其最终产品具备所需的特性。

一台装有团队纳米纤维素生物墨水的 3D 打印机打印出一段管状结构。

从第一性原理推动材料科学发展

“事实上，纳米纤维素可以直接购买半成品，但 Stana Kleinschek 教授感兴趣的是从第一性原理来设计材料，”Grasselli 说道。“借助我们的技术，科学家可以调整配方，并进一步研究预处理和均质化工艺对材料性质和结构的影响。这让他们能够更好地控制整个过程，例如纤维来源和预处理，并深入了解均质化工艺如何影响纳米纤维素的结构、材料的流变性以及最终的 3D 打印部件。”

Kargl 尤其看重可以灵活调节压力、纤维浓度、循环次数和温度这一点。“原材料、预处理、循环次数和压力对纤维尺寸和墨水流变性的影响最大，”他表示。

工程学硕士Florian Lackner 博士（IBioSys 大学助理）展示了一些干燥的短纤维桉木浆。

研究所的研究人员融合了生物基材料化学和技术方面的专业知识，致力于开发从可再生资源中提取、合成和改性生物活性天然产物的方法。其潜在应用领域广泛，包括 3D 打印、涂层和表面活性物质，涵盖生物医学设备和植入物、包装、纺织品、化妆品和纸张涂层等领域。

完全适应性与协作性

“GEA 与 IBioSys 研究所团队的持续合作尤其令人振奋，因为该大学的研究人员处于生物基材料研发的前沿，”Grasselli 说道。“他们与技术中心内部和外部相关领域的研究人员保持紧密联系，我们也在此与他们携手合作，提供我们的加工专业知识和技术，助力推动各种创新型生物基产品和应用领域的研发进程。”

GEA 与 IBioSys 研究所团队的持续合作尤其令人振奋，因为该大学的研究人员处于生物基系统材料研究和技术开发的前沿。

Silvia Grasselli

GEA 均质化工艺技术负责人