{"id":170816,"date":"2019-05-04T13:39:38","date_gmt":"2019-05-04T11:39:38","guid":{"rendered":"https:\/\/innovationorigins.com\/?p=170816"},"modified":"2019-05-04T13:39:38","modified_gmt":"2019-05-04T11:39:38","slug":"biologisches-gewebeimplantat-per-3d-druck","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/de\/biologisches-gewebeimplantat-per-3d-druck\/","title":{"rendered":"Biologisches Gewebeimplantat per 3D-Druck"},"content":{"rendered":"

3D-Druck gilt als Eckpfeiler der Industrie 4.0. Es gibt kaum eine Branche, wo dieses Verfahren nicht eingesetzt wird. Und auch in der regenerativen Medizin ist der 3D-Druck mittlerweile angekommen. Erst im April 2019 stellten israelische Forscher ein gedrucktes, dreidimensionales Mini-Herz aus menschlichem Gewebe<\/a> vor. Dies ist zwar lange noch nicht Einsatzbereit, doch immerhin soll es vergleichbar sein mit dem eines menschlichen F\u00f6tus.<\/p>\n

Ma\u00dfgeschneiderte Gewebestruktur<\/h3>\n

Forschende des Fraunhofer Instituts f\u00fcr Grenzfl\u00e4chen- und Bioverfahrenstechnik IGB Stuttgart<\/a> haben nun erstmals gemeinsam mit der Universit\u00e4t Stuttgart\u00a0<\/a> biologisches Gewebe aus dem 3D Drucker hergestellt. Somit k\u00f6nnte in Zukunft irreparabel zerst\u00f6rtes Gewebe durch eine ma\u00dfgeschneiderte, biologisch funktionelle Gewebestruktur aus dem Drucker ersetzt werden. Doch bis dahin ist es noch ein langer Weg. Dr. Achim Weber, stellvertretender Abteilungsleiter am IGB sch\u00e4tzt den Zeitraum auf cirka ein Jahrzehnt. Vorher werden noch zahlreiche Testsysteme gefahren. Dies f\u00e4ngt vom Drucken in die Petrischale an, geht \u00fcber die Erprobung in Medikamenten und d\u00fcrfte dann erst einmal in unkritische Bereiche wie Sehnen und Knochen gehen, bevor tats\u00e4chlich einmal ein Herz, Auge oder eine Niere gedruckt werden kann.<\/p>\n

Biotinte als Basis<\/h3>\n
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Bio-Ink \u00a9 Fraunhofer IGB<\/figcaption><\/figure>\n

Basis des Verfahrens sind sogenannte Biotinten, die sich f\u00fcr den 3D-Druck, also eine additive Fertigung eigenen. Die Tinten bestehen aus Biopolymeren wie Gelatine oder Hyalurons\u00e4ure, einem w\u00e4ssrigem N\u00e4hrmedium und lebenden Zellen. Schicht f\u00fcr Schicht werden diese Fl\u00fcssigkeiten \u00fcbereinander gedruckt, bis ein vorher programmiertes 3D-Objekt entsteht. W\u00e4hrend des Drucks bleiben die Biotinten flie\u00dff\u00e4hig. Danach werden sie mit UV-Licht bestrahlt. Dadurch vernetzen sie sich zu Hydrogelen, also wasserhaltigen Polymernetzwerken.<\/p>\n

Einzigartiges Bioprinting<\/h3>\n

Die Biomolek\u00fcle lassen sich gezielt chemisch modifizieren. Somit wird erreicht, dass die gedruckten Gele unterschiedliche Festigkeiten und Quellbarkeiten aufweisen. Dementsprechend k\u00f6nnen Eigenschaften von nat\u00fcrlichen Geweben nachgebildet werden. Das kann ein fester Knorpel sein, aber auch ein weiches Fettgewebe. Das Spektrum an einstellbarer Viskosit\u00e4t ist breit.<\/p>\n

Bei 21 Grad Raumtemperatur ist Gelatine fest wie ein Wackelpudding \u2013 so kann sie nicht gedruckt werden. Damit dies nicht passiert und wir sie unabh\u00e4ngig von der Temperatur prozessieren k\u00f6nnen, maskieren wir die Seitenketten der Biomolek\u00fcle, die daf\u00fcr zust\u00e4ndig sind, dass die Gelatine geliert\u201c, skizziert Weber eine der Herausforderungen des Verfahrens.<\/p><\/blockquote>\n

Ein weitere H\u00fcrde: Damit die Gelatine bei einer Temperatur von etwa 37 Grad nicht flie\u00dft, muss sie chemisch vernetzt werden. Um dies zu erreichen, wird sie sozusagen zweifach funktionalisiert. Das bedeutet: Alternativ zu den nicht vernetzbaren, maskierenden Acetylgruppen, die ein Gelieren verhindern, baut das Forscherteam vernetzbare Gruppen in die Biomolek\u00fcle ein. Diese Vorgehensweise ist im Bereich des Bioprintings einzigartig.<\/p>\n

Wir formulieren Tinten, die verschiedenen Zelltypen und damit auch verschiedenen Gewebestrukturen m\u00f6glichst optimale Bedingungen bieten\u201c, so Dr. Kirsten Borchers.<\/p><\/blockquote>\n

Sie ist verantwortlich f\u00fcr die Bioprinting-Projekte in Stuttgart.<\/p>\n

Knochen- und Vaskularisierungstinte<\/h3>\n

In Kooperation mit der Universit\u00e4t Stuttgart ist es unl\u00e4ngst gelungen, zwei unterschiedliche Hydrogel-Umgebungen zu schaffen. So sollen zum einen festere Gele mit mineralischen Anteilen die Knochenzellen bestm\u00f6glich versorgen. W\u00e4hrend weichere Gele ohne mineralische Anteile Blutgef\u00e4\u00dfzellen die M\u00f6glichkeit geben sollen, sich in kapillar\u00e4hnlichen Strukturen anzuordnen.<\/p>\n

Die beste k\u00fcnstliche Umgebung f\u00fcr die Zellen ist die, die den nat\u00fcrlichen Bedingungen im K\u00f6rper m\u00f6glichst nahekommt. Die Aufgabe der Gewebematrix \u00fcbernehmen in unseren gedruckten Geweben daher Biomaterialien, die wir aus Bestandteilen der nat\u00fcrlichen Gewebematrix herstellen\u201c, erkl\u00e4rt Borchers.<\/p><\/blockquote>\n

Durch das Variieren der Zusammensetzung des Biomaterials ist also der Druck von verschiedenen biologischen Implantaten m\u00f6glich. So konnten die Wissenschaftler auf Basis ihres verf\u00fcgbaren Materialbaukastens beispielsweise “Knochentinte” herstellen. Die darin verarbeiteten Zellen sollen das Originalgewebe regenerieren, also selber Knochengewebe bilden. Das Geheimnis der Tinte ist eine spezielle Mischung aus dem pulverf\u00f6rmigen Knochenmineral Hydroxylapatit und aus Biomolek\u00fclen.<\/p>\n

Die Vaskularisierungstinte hingegen bildet weiche Gele, in der sich Kapillarstrukturen \u2013 also Blutgef\u00e4\u00dfe \u2013 etablieren konnten. Hierf\u00fcr werden spezielle Zellen, die Blutgef\u00e4\u00dfe bilden, in die Tinten eingebracht. Die Zellen bewegen sich, wandern aufeinander zu und formen Anlagen von Kapillarnetzwerken aus kleinen r\u00f6hrenf\u00f6rmigen Gebilden. Wird dieser Knochenersatz implantiert, so w\u00fcrde der Anschluss des biologischen Implantats an das Blutgef\u00e4\u00dfsystem des Empf\u00e4ngers wesentlich schneller funktionieren, als bei Implantaten ohne kapillar\u00e4hnliche Vorstrukturen.<\/p>\n

Ohne Vaskularisierungstinte ist erfolgreicher 3D-Druck von gr\u00f6\u00dferen Gewebestrukturen vermutlich nicht m\u00f6glich\u201c, so Weber.<\/p><\/blockquote>\n

Regeneration von Knorpel<\/h3>\n

J\u00fcngstes Forschungsprojekt des Stuttgarter Forscherteams ist die Entwicklung von Matrices f\u00fcr die Regeneration von Knorpel. \u201eF\u00fcr alle K\u00f6rperzellen, die wir aus Gewebe isolieren und im Labor vermehren, m\u00fcssen wir dazu eine Umgebung schaffen, in der sie ihre spezifischen Funktionen auch \u00fcber l\u00e4ngere Zeit erf\u00fcllen k\u00f6nnen\u201c, schildert Lisa Rebers, Bioingenieurin im Team, die Versuche. Sicherlich werden noch weitere interessante 3D Druckprozesse aus Biomaterialen folgen.<\/p>\n

Denn die genannten Ergebnisse entspringen der Arbeitsgruppe Additive4Life<\/a>, die an der Erprobung und Entwicklung neuer Technologien im Bereich Bioprinting forscht.<\/p>\n

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