3D-Basics Bioprinting – Anwendungsgebiete, Vorteile und Herausforderungen

Bereits 2019 ist es Forschern gelungen, ein menschliches Herz zur drucken. Dieses war jedoch nicht funktionsfähig und nur 2,5 cm groß. In Zukunft könnte 3D-gedrucktes menschliches Gewebe aber den Bedarf an Organspenden decken. Wie das geht und welche Herausforderungen bestehen, erfahren Sie hier.

Patienten, die aufgrund schwerer Erkrankungen auf ein Spenderorgan warten, könnten mit Bioprinting neue Hoffnung schöpfen. Forscher arbeiten daran, mit Bioprinting Organe aus menschlichen Zellen herzustellen. Ziel ist die Herstellung von biologischem und biologisch funktionellem Gewebe im Labor.

Das Anwendungsspektrum für den 3D Druck wird immer breiter. Eine zukunftsträchtige Form von 3D Druck ist das Bioprinting. Aus biologischem Material wie menschlichen Zellen soll künftig biologisch funktionierendes Gewebe im Labor hergestellt werden. Patienten mit schwerwiegenden Verletzungen könnten Haut, Muskelgewebe und Blutgefäße aus dem Labor erhalten. Künstliche Organe wie Leber, Herz oder Nieren könnten mit dem 3D-Drucker und menschlichen Zellen hergestellt werden. Tausende Patienten mit Organerkrankungen müssten nicht mehr lange auf ein Spenderorgan warten. Gedrucktes Gewebe aus körpereigenem Material würde das erkrankte Organ ersetzen. Auch die kosmetische Chirurgie könnte vom Bioprinting Verfahren profitieren. Aus dem 3D-Drucker würden Menschen mit Gesichtsverletzungen nach Unfällen Nasen und Ohren erhalten. Bis die Organe und das Gewebe aus dem Drucker für den Menschen anwendbar sind, wird jedoch noch einige Zeit vergehen.

Was ist Bioprinting?

Beim Bioprinting handelt es sich um einen Prozess der additiven Fertigung, bei dem biologisches Material wie Zellen und Wachstumsfaktoren miteinander kombiniert werden. Aus diesem Material entstehen gewebeähnliche Strukturen, die dem natürlichen Gewebe nachempfunden sind.

Die Technologie nutzt ein Material, das als Biotinte bezeichnet wird. Ähnlich wie beim Inkjet Printing wird mit dem Bioprinter Schicht für Schicht gedruckt. Wie beim Tissue Engineering werden im Labor biologische und biologisch funktionelle Gewebe hergestellt. Für diese neuartige Technologie eröffnet sich ein breites Feld an Anwendungsmöglichkeiten in der Medizin und im Bio-Engineering. Die Technologie hat in jüngster Zeit bereits Fortschritte bei der Herstellung von Knorpelgewebe für die Rekonstruktion und Regeneration verzeichnet.

Es gibt bereits die ersten Ansätze für die Herstellung und Verwendung von In-vitro-Gewebe aus dem Drucker. Als Testsysteme können diese mit Bioprinting erzeugten Gewebe Tierversuche ersetzen und Aussagen über die Wirksamkeit von Wirkstoffkandidaten liefern. Künftig könnten Tierversuche so unnötig werden. Geschädigtes Gewebe ließe sich in absehbarer Zeit durch die biologischen Implantate vollständig ersetzen oder zur Regeneration anregen.

Die Funktionsweise von Bioprinting

Bioprinting funktioniert ähnlich wie der konventionelle 3D Druck. Das Video erläutert anschaulich die Funktionsweise beim Druck einer menschlichen Niere:

Zunächst muss ein Modell von dem zu druckenden Gewebe oder Organ geschaffen werden. Um die exakte Struktur dieses Gewebes oder Organs zu drucken, wird das Gewebe mit einer Flüssigkeit transparent gemacht. Mit Hilfe eines hochauflösenden Mikroskops und eines Laserscanners wird das Organ gescannt. So entsteht ein hochauflösendes 3D-Modell des Organs, das als Vorlage für den Druck dient. Aus menschlichen Zellen als Biotinte wird Schicht für Schicht das Organ gedruckt.

Noch ist der Druck komplexer menschlicher Organe mit verschiedenen Zellen und Strukturen, beispielsweise von Nieren, nicht möglich. Dafür werden große Bioprinter mit zahlreichen Druckköpfen benötigt, die unterschiedliche Zelltypen drucken. Forschern in Israel ist es jedoch bereits gelungen, ein Herz in einem kleineren Format im Bioprinting Verfahren zu erzeugen. Dieses Herz kann jedoch noch nicht schlagen:

Bioprinting

Bayer wird Medikamente an 3D-gedrucktem Herzgewebe testen

Um mit Bioprinting Organe herzustellen, die funktionsfähig sind, wird im Gegensatz zum konventionellen 3D Druck eine lebende Zellsuspension anstatt eines Thermoplasts oder eines Harzes verwendet. Sterile Druckbedingungen sind beim Bioprinting erforderlich, um eine ausreichende Druckauflösung für die Zell-Matrix-Struktur zu erhalten und die Lebensfähigkeit der Zellstrukturen zu optimieren. Nur so ist die Genauigkeit im komplexen Gewebe mit dem richtigen Abstand der Zellen zueinander gewährleistet.

Der Bioprinting Prozess und seine Phasen

Grundsätzlich setzt sich der Prozess des Bioprintings aus den folgenden Phasen zusammen:

• Vorbereitung

• eigentlicher Druck

• Reife

• Anwendung

In der vorbereitenden Phase wird ein digitales Modell erschaffen, das gedruckt werden soll. Als Technologien zum Scannen der Organe und Gewebe dienen die Computertomographie (CT) und die Magnetresonanztomographie (MRT).

Das Bioprinting ist der eigentliche Druckprozess, bei dem Biotinte in eine Druckerpatrone gegeben wird. Die Ablagerung erfolgt auf der Basis des digitalen Modells.

Beim Post-Bioprinting, der Nachbereitung, erfolgt die mechanische und chemische Stimulation der gedruckten Teile, um stabile Strukturen für das biologische Material zu erhalten.

Beispiele aus der Praxis

Knochen- und Knorpelgewebe können bereits im Bioprinting Verfahren hergestellt werden. Die Regeneration von Knochengewebe ist künftig mit Bioprinting Knochenmaterial möglich. Künftig wird es gelingen, Haut, Blutgefäße und komplexe Organe mit dem Bioprinter zu erzeugen. Dafür sind jedoch umfangreiche medizinische Tests erforderlich. Auch das Bioprinting in der Lebensmittelindustrie ist eine Option. So könnte beispielsweise das Steak aus dem Drucker kommen, ohne dass dafür ein Tier sterben muss.

• Das 3D-Bio-Net-Projekt hat einen Bioprinter entwickelt, mit dem das Drucken funktionaler menschlicher Gewebe mit Blutgefäßen möglich ist.

• Russische Forscher nutzen 3D-Bioprinting, um die Forschung an Corona-Medikamenten zu beschleunigen.

• Materialwissenschaftler haben künstliche Arterien aus biokompatiblem Material hergestellt, die den Blutdruck von Patienten in Echtzeit überwachen können.

Welche Technologien und Verfahren kommen beim Bioprinting zum Einsatz?

Für die Herstellung von künstlichem Gewebe gibt es gegenwärtig zwei gängige Methoden. Genau wie beim Druck auf Papier werden beim Bioprinting das Laser-Prinzip und das Tintenstrahl-Prinzip unterschieden.

Beim Laser-Printing wird Dampfdruck mit einem Laserstrahl erzeugt. Er schleudert winzige Tropfen eines mit Zellen angereicherten Gels auf eine Unterlage. Tropfen für Tropfen bildet sich das Gewebe.

Beim Tintenstrahl-Prinzip, dem Inkjet Printing, spritzen zwei Düsen abwechselnd eine Flüssigkeit auf eine Unterlage. Die erste Düse sprüht das zähflüssige Hydrogel, das sich schnell verfestigt. Die zweite Düse sprüht lebende Zellen. So entsteht das biologische Gewebe.

Darüber hinaus bestehen noch verschiedene weitere Methoden, die auf Akustik- oder Extrusionstechnologien basieren. Allen Technologien und Methoden ist eine weitgehend standardisierte Abfolge von Schritten gemeinsam:

• 3D-Bildgebung: Um die exakten Dimensionen des Gewebes zu erhalten, erfolgt ein Scan mit CT oder MRT. Die 3D-Bildgebung sollte bereits eine perfekte Passform des Gewebes ermöglichen, die keine nachträgliche Anpassung durch einen Chirurgen erfordert.

• 3D-Modellierung: Mit AutoCAD-Software wird eine Blaupause erstellt, die bereits eine Schicht-für-Schicht-Anleitung in hoher Detailtiefe enthält. Um die Übertragung von Fehlern zu vermeiden, können in diesem Stadium Feineinstellungen erfolgen.

• Vorbereitung der Biotinte: Biotinte kombiniert lebende Zellen und eine kompatible Basis wie Hyaluronsäure, Silikon, Kollagen, Alginat, Gelatine oder Nanozellulose. Der Vorteil von Nanozellulose liegt in den Nährstoffen zum Überleben und dem Gerüst zum Wachsen für die Zellen. Welche Substanz verwendet wird, ist abhängig vom benötigten Gewebe und vom Patienten.

• Druck: Die Biotinte wird im 3D-Druckverfahren schichtweise aufgetragen. Jede Schicht ist höchstens 0,5 Millimeter dick. Die Art des zu druckenden Gewebes und die Anzahl der vorhandenen Düsen bestimmen, ob größere oder kleinere Ablagerungen entstehen. Aus der Düse kommt eine hochviskose Flüssigkeit.

• Erstarren: Die gedruckten Schichten sind zähflüssig. Um ihre endgültige Form zu erhalten, müssen sie erstarren. Dabei werden kontinuierlich weitere Schichten abgeschieden. UV-Licht, verschiedene Chemikalien oder Wärme können den Erstarrungsprozess unterstützen.

Bioprinting

Eine Aorta aus dem 3D-Drucker

Welche Vorteile hat das Bioprinting für die Medizin und andere Anwendungsgebiete?

Werden mit Bioprinting Organe hergestellt, handelt es sich um gewebeähnliche Strukturen, die eine tatsächliche Mikro- und Makro-Umgebung menschlicher Organe und Gewebe nachahmen. Damit eröffnet sich ein breites Potential für Medikamententests und klinische Studien. Der Bedarf an Tierversuchen kann drastisch reduziert werden. Das spart Zeit und hohe Kosten.

Bioprinting macht verschiedene Versuche am Menschen und die Nutzung von menschlichem Gewebe bei Testverfahren überflüssig. Medizinische Tests für die Behandlung von Krankheiten können an künstlich befallenem Gewebe aus dem Drucker erfolgen.

Ein entscheidender Vorteil ist der geringere Bedarf an Spenderorganen, wenn künstliche Organe durch Bioprinting erzeugt werden können. Seitdem 1963 die erste Nierentransplantation erfolgte, wurden ungefähr 117.000 Organe transplantiert. Deutschlandweit stehen ungefähr 11.000 Menschen auf der Warteliste. Der Bedarf an Spenderorganen wird künftig steigen, da die Menschen immer älter werden. Die Bereitschaft zur Organspende ist rückläufig. Das Problem der Verfügbarkeit von Spenderorganen könnte künftig in den Hintergrund rücken.

Nicht nur der Ersatz von Organen, sondern auch die Regeneration von verletztem Gewebe wird künftig einfacher. Bioprinting vereinfacht Operationen und ermöglicht die Herstellung von patientenspezifischem Gewebe.

Die Vorteile von Bioprinting zusammengefasst:

• auf Tierversuche kann weitgehend verzichtet werden

• Methoden zur Behandlung von Krankheiten können an gedrucktem Gewebe getestet werden

• kein menschliches Gewebe für medizinische Tests erforderlich

• Bedarf an Spenderorganen geht zurück

• Gewebe und Organe können patientenspezifisch hergestellt werden

• Verkürzung von Krankenhausaufenthalten

• patientenfreundlichere und bessere Behandlungsmethoden

• Einsparung von Kosten und Zeit

• höhere Präzision

Wie dieses Video erklärt, ergeben sich durch die Kombination von Bioprinting mit herkömmlichen 3D-Druck noch weitere Vorteile:

Bis es soweit ist, dass alle diese Vorteile von Bioprinting ausgeschöpft werden können, vergehen noch einige Jahre oder Jahrzehnte. Forscher arbeiten an neuen und präziseren Methoden.

Wie ist Bioprinting aktuell limitiert?

Noch bestehen beim Bioprinting Probleme, die beispielsweise die Erzeugung von funktionierenden menschlichen Organen noch unmöglich machen. Das Verfahren stößt bereits bei der Herstellung geeigneter Biotinten an seine Grenzen. Gegenwertig können Knochentinte und Vaskularisierungstinte zur Versorgung des Gewebes mit Sauerstoff und Nährstoffen hergestellt werden. Um biologisch funktionelle Gewebe und Bioprinting Organe herzustellen, sind jedoch noch eine Reihe weiterer Biotinten erforderlich. Auf der Grundlage verschiedener Materialien ist die Erzeugung von Biotinten schon möglich, doch können mit den synthetischen Materialien noch keine umfassenden Funktionen hergestellt werden.

• Gerüst für eine Form und innere Struktur muss vorhanden sein

• lebende Zellen müssen so in das Gerüst implantiert werden, dass sich die richtigen Zellen an den richtigen Stellen befinden

• damit das künstliche Organ leben und arbeiten kann, muss es durchblutet werden.

Sie sehen also, dass die Organe aus dem Drucker außerordentlich komplex sein müssen, um zu funktionieren. Bis dahin ist es noch ein langer Prozess. Forschern ist es bereits gelungen, verschiedene Organe zu drucken. Die gedruckten Organe sind optisch nicht von den echten Organen zu unterscheiden. Bislang hat jedoch noch keines dieser Organe alle Anforderungen erfüllt. Die Forschung befindet sich noch in der Anfangsphase. Die 3D-Bioprinter sind noch nicht präzise und leistungsstark genug, um komplexe Strukturen oder Organe zu drucken.

Welche Anwendungsgebiete ergeben sich für Bioprinting?

Ist die Bioprinting Technologie ausgereift, ergeben sich in der Medizin zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten:

Organe: Der Bedarf an künstlichen Organen kurbelt die Entwicklung des Bioprinting an. Ein Grund dafür ist der gestiegene Ausfall lebensnotwendiger Organe durch verschiedene Erkrankungen. Probleme im Zusammenhang von Organen könnten mit den künstlich hergestellten Organen schneller gelöst werden.

Pharmazeutische Tests: Kostengünstiger und ethisch vertretbarer als Tierversuche oder Versuche am Menschen ist die Herstellung von Gewebe durch Bioprinting, das für pharmazeutische Tests genutzt werden kann. Auch Nebenwirkungen von Medikamenten könnten leichter festgestellt werden.

Kosmetische Chirurgie: Ein wichtiges Anwendungsgebiet ist die kosmetische Chirurgie. Nach Verletzungen oder großflächigen Verbrennungen könnte auf die betroffenen Stellen echte Haut transplantiert werden, die aus dem Bioprinter stammt. Für die Forschung zu therapeutischen Zwecken werden bereits durch Bioprinting erzeugte Gewebe genutzt.

Knochengewebe: Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Regeneration von Knochengewebe, beispielsweise bei schwerwiegenden Erkrankungen der Knochen, Verletzungen oder Abnutzungserscheinungen. Auch in der Zahnmedizin könnte Knochengewebe aus dem Drucker verwendet werden.

Knorpel und Haut: Durch die Herstellung von Knorpelgewebe und Haut könnten Menschen nach Unfällen oder bei Fehlbildungen gedruckte Nasen oder Ohren erhalten.

Welche Hersteller von Bioprintern gibt es?

Es gibt bislang kaum Bioprinting Unternehmen, in denen Organe und Gewebe hergestellt werden. Eines dieser Unternehmen ist Aspect Biosystems aus Kanada, das sich auf das 3D-Bioprinting spezialisiert hat. Das Unternehmen wurde von Wissenschaftlern der University of British Columbia gegründet. Auch das Berliner Startup Medizinische Modellbau Manufaktur beschäftigt sich bereits mit dem Druck von Organen durch Bioprinting.

Bereits 2013 wurde 3D Bioprinting Solutions als Labor für biotechnologische Forschung eröffnet. Es wurde vom größten privaten medizinischen Unternehmen in Russland, Invitro, in Betrieb genommen. Ein Startup mit Sitz in Philadelphia ist 3D Cultures. Das Unternehmen hat sich auf die Herstellung von Werkzeugen für den 3D Biodruck und Tissue Engineering spezialisiert.

Das US-amerikanische Unternehmen Allevi wurde 2014 gegründet und ist ein Hersteller verschiedener Biodrucker. Einer der größten Hersteller von Bioprintern ist das schwedische Unternehmen Cellink, das 2016 gegründet wurde.

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