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3D-Scaffolds „Sie können beliebige Implantatgeometrien generieren“

Mithilfe der 3D-Lithografie via Zwei-Photonen-Polymerisation von bioabbaubaren Copolymeren wurden erstmalig 3D-Scaffolds mit Substrukturen im Mikrometermaßstab hergestellt. Prof. Klaus Liefeith vom Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e.V. erklärt die Bedeutung für die Medizin.

(Bild: Heiligenstadt e.V)

Herr Prof. Dr.-Ing. Klaus Liefeith, Wie funktioniert die Herstellung der Scaffolds per 3D-Druck?

Prof. Dr.-Ing. Klaus Liefeith: Wir nutzen ein spezielles maskenloses 3D-Druckverfahren im Sinne einer 3D-Nano-Lithographie, basierend auf dem Prinzip der Multiphotonen-Absorption. Das heißt, es wird eine Strukturierungsverfahren eingesetzt, das fotochemisch sensitive Polymere adressiert. Die Polymerisation findet dort ausschließlich im Fokusvolumen des Lasers statt und ist damit – makroskopisch formuliert – auf einen Punkt reduziert. Der Fokus des beweglichen Lasers hinterlässt überall dort, wo er computergesteuert entlanggeführt wird, eine Spur polymerisierten Materials. Dieses Material wird nun Schicht für Schicht aufgebaut, sodass man entsprechende Strukturen programmieren kann. Auf diese Art und Weise wird ein Polymer zu einer festen Struktur vernetzt. Das Schöne daran ist, dass das ohne kostenintensive Masken funktioniert: Sie können alle Strukturen, die mathematisch verarbeitbar sind, verwenden und beliebige Implantatgeometrien generieren.

Prof. Dr.-Ing. Klaus Liefeith
Prof. Dr.-Ing. Klaus Liefeith
(Bild: Heiligenstadt e.V)

Welche Materialien werden dafür verwendet?

Liefeith: Die Forschungen sind Teil des Förderprogramms ProMatLeben, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung ins Leben gerufen wurde. Sein Zweck ist, Biopolymere mit Milchsäure-Anteilen (Polylactide und Polyglycolide) zu substituieren. Man hatte durch entsprechende Studien festgestellt, dass diese Art von Polymeren bei der Zersetzung im Körper saure Degradationsprodukte bilden. Die Reaktionsprodukte selbst sind zwar nicht toxisch, aber beim Degradationsprozess entsteht ein sehr niedriger pH-Wert, in dessen Folge das Gewebe im Umfeld dieser Implantate Nekrosen entwickelt. Damit das nicht mehr passiert, wurde das Programm dazu gestartet, entsprechende alternative Biopolymere zu entwickeln.

Wir haben ein Amid-Caprolacton-Polymer entwickelt und es mit einem Lactid-Caprolacton (mit dem unerwünschten Lactid darin) verglichen: Das Amid-Caprolacton-Polymer hat die sauren Degradationsprodukte nicht mehr gebildet – das ist die Polymer-Plattform, mit der diese neuen Implantat-Strukturen geschrieben werden.

Für welche Krankheitsfälle kann dieses Verfahren eine Lösung bedeuten?

Liefeith: Als Lösungansatz für verschiedene Krankheiten sollte man das Verfahren auch über den Horizont eines Knorpel-Knochens-Implantats hinaus adressieren. Wir sind bei unserem Institut dabei, alle möglichen Disease-Modelle zu erstellen. Das heißt, wir gehen zum einen in Richtung Diagnostik: Um dreidimensionale Zellkulturen auf einem Chip zu generieren, braucht man eine künstliche Matrix, die wir mit einem Zwei-Photonen-Polymerisations-Verfahren schreiben. Diese Matrices werden dann mit Zellen besiedelt, sodass eine dreidimensionale Gewebestruktur entsteht, mit der man deutlich besser und physiologisch adäquater Untersuchungen planen kann als mit der bisher genutzten Standard-2D-Zellkultur. Und wir gehen natürlich auch im Hinblick auf therapeutische Dinge in die verschiedensten Richtungen: Wir produzieren mit der Universitätsmedizin Göttingen entsprechende Implantate, die im Kiefer eingesetzt werden. Es sind aber auch noch andere Ansätze, zum Beispiel als Hautersatz, denkbar. Grundsätzlich benötigt man für Tissue Engineering immer entsprechende Zellträger – die kann man mit diesem Verfahren mit einer sehr hohen Flexibilität herstellen.

Was denken Sie: Wann wird diese Forschung marktreif sein?

Liefeith: Es sieht aus, als gelänge es, diese Implantate auch zu kommerziell interessanten Konditionen herzustellen. Früher haben wir mehrere Tage an so einem Implantat geschrieben. Heute ist diese Zeit durch die beteiligten Industriepartner runtergedrückt worden auf anderthalb Stunden.

Und es gibt natürlich noch eine Reihe von technischen Möglichkeiten, mit denen man das Verfahren skalieren kann. Beispielsweise gibt es Defraktive Optische Elemente (DOE ́s), bei denen man den Laser aufspalten kann, sodass man nicht mit einem Laserstrahl schreibt, sondern mit acht oder 16 Strahlen. Für periodische Strukturen kann man dann die Strukturierungsgeschwindigkeit auf einen Schlag um den Faktor 16 hochsetzen. Möglicherweise werden auch irgendwann neuere Photo-Initiatoren entwickelt, die schneller sind, sodass auch die eigentliche Polymerisationsreaktion noch schneller abläuft. Es gibt also noch Möglichkeiten, die genutzt werden können, um die Verfahren noch deutlich interessanter zu machen.

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