Expertenbeitrag

Dipl. Betriebswirt Otto Geißler

Dipl. Betriebswirt Otto Geißler

Freier Journalist

Bioprinting Wichtige Fortschritte, die den 3D-Biodruck vorantreiben

Von Otto Geißler

Mit vielen bahnbrechenden Innovationen gehört der 3D-Biodruck zu einer der aufregendsten und vielversprechendsten Zukunftstechnologien, die eine Reihe von medizinischen Anwendungen radikal verändern werden. In der Folge eine Auswahl der jüngsten Weiterentwicklungen.

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Der 3D-Biodruck profitiert von Technologien wie Tissue Engineering, synthetischer Biologie, Mikro- beziehungsweise Nanofabrikation und Biomaterialproduktion.
Der 3D-Biodruck profitiert von Technologien wie Tissue Engineering, synthetischer Biologie, Mikro- beziehungsweise Nanofabrikation und Biomaterialproduktion.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Die Bioprinting-Technologie ermöglicht es, sogenannte lebende De-novo-Organe wie Herz, Leber, Nieren, Lunge und Haut zu drucken. Der Ausdruck De novo meint hier, dass die Organe von Grund auf neu erschaffen werden. Womit sich der notorische Mangel an Organtransplantationen wesentlich verringern ließe. Im Prinzip ist der Herstellungsprozess recht einfach: Ein 3D-Biodrucker schichtet gemäß einer CAD-Datei Lage für Lage Bio-Material auf.

Anstelle der sonst üblichen Metalle oder Kunststoffe verwenden Biodrucker spezielle Biotinten als Material. Diese enthalten lebende Zellen inmitten viskoser Materialien wie Alginat oder Gelatine. Die Zellen sind oft auf Gerüsten aufgebaut, um die Zellen zu stützen und zu schützen. Wenn dem Patienten zu diesem Zweck seine eigenen Zellen entnommen werden, würde dies gleichzeitig sicherstellen, dass sich die gefürchteten Angriffe des Immunsystems und die daraus folgende Organabstoßung verhindern lassen.

Lebende Haut mit Blutgefäßen

Bis dato haben Patientinnen und Patienten, die Hauttransplantationen benötigen, grundsätzlich zwei Möglichkeiten: ein Teil einer gesunden Haut wird von Körper entnommen, um den beschädigten Bereich abzudecken oder es werden künstliche Hautprodukte aus Materialien, die von Rinderkollagen bis hin zu Polymerschaum reichen, aufgetragen. Beide Möglichkeiten bergen Nachteile. Erstere Hauttransplantationen sind ehr schmerzhaft und es entstehen neue, meist unschöne Wunden. Künstliche Hautprodukte entfalten ihr Wirksamkeit häufig nur vorübergehend, decken keine tiefen Wunden ab oder ähneln selten der menschlichen Haut.

US-Wissenschaftlern ist es nun gelungen, mit flüssiger Biotinte, die unter anderem aus menschlichen Hautzellen gewonnen wird, eine künstliche Haut zu drucken. Sensationell neu daran ist, dass das Blutgefäßsystem dann quasi auf natürliche Weise in der Haut wächst. Mit einem solchen funktionierenden Gefäßsystem könnte eine Patientin das transplantierte Gewebe deutlich schneller assimilieren. Dafür schnitzen die Forschenden Rillen in Kunststofffäden, aus denen sie stabilisierende Gerüste bauen. Anschließend werden die Rillen mit Zellen oder anderen bioaktiven Wirkstoffen bestreut, die das Wachstum von neuem Gewebe fördern. Diese biokompatiblen Implantate bauen sich im Laufe der Zeit ab und hinterlassen nur das natürliche Gewebe.

Für die Behandlung von größeren Brandwunden entwickelten Forscherinnen tragbare 3D-Drucker, die dazu in der Lage sind, mit Hautschichten aus Biomaterial verletzte Hautbereiche abzudecken. Dazu wird Biotinte Streifen für Streifen per Drucker über die Brandwunde verteilt. Das Biomaterial besteht hierbei aus Biotinte beziehungsweise mesenchymalen Stromazellen (MSC) besteht. Das sind Stammzellen, die sich je nach Umgebung in spezialisierte Zelltypen differenzieren. In diesem Fall fördert das MSC-Material die Hautregeneration und reduziert die Narbenbildung. Das Biomaterial soll den Heilungsprozess im Vergleich zu den traditionellen Methoden deutlich beschleunigen.

Bioprinting von Teilen des Herzens

Es ist mittels 3D-Biodruck gelungen, funktionelle Teile des menschlichen Herzens wie beispielsweise eine Herzklappe herzustellen. Diese Methode des Tissue Engineering, also die künstliche Erzeugung biologischen Gewebes durch kontrollierte Kultivierung von Zellen, bringt die Forschung dem 3D-Druck eines erwachsenen menschlichen Herzens in Originalgröße einen Schritt näher. Die als Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels (FRESH) bekannt gewordene Technologie macht es jetzt möglich, eine beispiellose Auflösung und Wiedergabetreue unter Verwendung von weichen und lebenden Materialien zu erzielen.

Jedes der menschlichen Organe, wie beispielsweise auch das Herz, besteht aus speziellen Zellen, die von einem biologischen Gerüst, der sogenannten extrazellulären Matrix (ECM), verbunden werden. Wobei diese vernetzten ECM-Proteine die notwendige Struktur und die biochemischen Signale liefern. Bisher war es mit den traditionellen Biofabrikationsmethoden nicht möglich, komplexe ECM-Architektur nachzubilden. Nun gelang es erstmals, aus Zellen und Kollagen Organteile wie schlagende Herzkammern zu drucken, die wirklich funktionieren.

Mittels MRT-Daten eines menschlichen Herzens lassen sich patientenspezifische anatomische Strukturen genau reproduzieren und Kollagen beziehungsweise menschliche Herzzellen in 3D-Bioprints als Biodruck herstellen. Die große Herausforderung bestand darin, dass Kollagen in 3D nur schwer druckbar ist, weil sich auf der Bauplattform nur eine Art Pfütze bildet. Mit der entwickelten FRESH-Methode wird Kollagen jedoch Schicht für Schicht in einem Stützbad aus einem sogenannten Stützgel abgelagert, so dass es an Ort und Stelle erstarren kann, bevor es aus dem Bad entfernt wird. In der Folge wird das unterstützende Gel nach Abschluss des Drucks durch Erwärmung auf Körpertemperatur weggeschmolzen und - ohne die gedruckte Struktur aus Kollagen oder Zellen zu beschädigen - entfernt.

Druckfähige Biotinte für menschliches Gewebe

Wichtige Fortschritte sind auch im Bereich 3D-gedruckter und patientenspezifischer Knochentransplantate zu vermelden. Damit eröffnen sich neue Behandlungsmethoden für Patienten, die an Arthritis, Knochenbrüchen, Zahninfektionen und kraniofazialen Defekten, wie einer angeborenen Verwachsungen von Finger und Zehen, leiden. Zu diesem Zweck wurde speziell die NICE-Bioink-Formulierung zum Drucken von 3D-Knochen entwickelt. NICE steht für Nanoengineered Ionic-Covalent Entanglement und kombiniert die Verstärkungsmechanismen von Nanokompositen und ionisch-kovalenter Verschränkung, um anpassbare zellbeladene Konstrukte mit hoher Strukturtreue und mechanischer Steifigkeit zu drucken, die dann für das Tissue Engineering genutzt werden können.

Da herkömmliche Hydrogele leider zu schwach und nur schlecht bedruckbar sind, muss es trotzdem möglich sein, die ideale Biotinte für stabile 3D-Strukturen durch eine feine Düse pressen zu lassen, man spricht von Extrusion. Gleichzeitig muss die Biotinte die Zellen während und nach dem Drucken schützen sowie eine geeignete Umgebung bieten, damit daraus das Zielgewebe zuverlässig entstehen kann. NICE Bioinks sind eine Kombination aus verschiedenen Verstärkungstechniken. Zusammen bieten sie eine effektive Verstärkung, die zu wesentlich stärkeren Knochenstrukturen führen.

Die NICE-Biotinten erlauben eine präzise Kontrolle über mechanische Eigenschaften beziehungsweise Abbaueigenschaften und ermöglichen eine spezifische 3D-Fertigung von mechanisch belastbaren, zellularen Strukturen. Nach Abschluss der Biodruckprozesse werden die mit Zellen beladenen NICE-Netzwerke verbunden, um Gerüste mit höherer Stabilität zu bilden. Mit dieser Technik ist die Forschung nun in der Lage, zellfreundliche Rekonstruktionen von menschlichen Körperteilen wie beispielsweise Ohren, Blutgefäßen, Knorpeln und Knochensegmenten in Originalgröße zu erstellen.

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