Bioprinting hat neue Perspektiven in die Zellforschung gebracht. Bisher blieben die 3D-Druckverfahren aber noch hinter den Erwartungen zur\u00fcck. An der TU Wien wurde nun eine spezielle Bio-Tinte entwickelt, welche die bestehenden Problem l\u00f6st.<\/p>\n
Die neue Bio-Tinte erm\u00f6glicht<\/p>\n
Durch das Bioprinting von Mikrostrukturen erh\u00e4lt die Zellforschung Modelle, mit denen sie beobachten kann, wie sich Krankheiten \u00fcber die Zellen ausbreiten und wie deren Verhalten zu steuern ist. Allerdings sind die Anforderungen an den 3D-Druck gro\u00df: Die Strukturen sind nicht nur winzig, sie m\u00fcssen auch die nat\u00fcrlichen Umgebungen von Zellen widergeben. Weil es die mechanischen und chemischen Eigenschaften sowie die Geometrien der Zellumgebungen sind, welche die Ausbreitung von Zellen beeinflussen.<\/p>\n
Konkret bedeutet dies, dass die Zellumgebungen f\u00fcr N\u00e4hrstoffe durchl\u00e4ssig sein m\u00fcssen, damit die Zellen \u00fcberleben und sich vermehren k\u00f6nnen. Entscheidend ist weiters, ob die Strukturen steif oder biegsam sind und ob sie stabil sind oder im Lauf der Zeit abgebaut werden.<\/p>\n
Die Herstellung von mikroskopisch feinen 3D-Objekten ist mittlerweile relativ problemlos m\u00f6glich. Bei der Technik des Bioprinting – ein spezielles additives 3D-Druckverfahren – werden die lebenden Zellen im Zuge des 3D-Verfahrens in die Struktur eingebettet. Die Schw\u00e4chen dieser Technik lagen bisweilen in einer mangelnden Pr\u00e4zision und einem Zeitfenster, das f\u00fcr die Verarbeitung der lebenden Zellen sehr kurz ist. \u00dcberschreitet man das Zeitfenster, nehmen die Zellen Schaden.<\/p>\n
Die gr\u00f6\u00dfte technische Herausforderung im Bioprinting lag bisweilen in der zu geringen Aufl\u00f6sung der g\u00e4ngigen Technologien. Lithographie-basierte Ans\u00e4tze wie die Zwei-Photonen-Polymerisation<\/em> (2PP) k\u00f6nnen diese Einschr\u00e4nkung \u00fcberwinden.<\/p>\n Die Forscher an der TU Wien haben bereits jahrelange Erfahrung in der Anwendung dieser Methode. Diese basiert auf einer chemischen Reaktion, die erst dann aktiv wird, wenn ein Molek\u00fcl des Materials zwei Photonen des Laserstrahls gleichzeitig absorbiert. Das ist dort der Fall, wo der Laserstrahl eine besonders hohe Intensit\u00e4t hat und ein punktuelles und sehr pr\u00e4zises Aush\u00e4rten der Substanz bewirkt. Diese Eigenschaften beg\u00fcnstigen die hochpr\u00e4zise Herstellung feinster Strukturen.<\/p>\n Der Nachteil der Zwei-Photonen-Polymerisation<\/em> lag bisweilen in der langsamen Schreibgeschwindigkeit im Bereich von Mikrometern oder wenigen Millimetern pro Sekunde.<\/p>\n Laut Professor Aleksandr Ovsianikov<\/a>, Leiter der Forschungsgruppe 3D Printing and Biofabrication<\/em> am Institut f\u00fcr Werkstoffwissenschaften und Werkstofftechnologie<\/em><\/a> an der TU Wien, liegt die langsame Schreibgeschwindigkeit im Bioprinting in der Wahl der chemischen Substanzen. Sein Team erreichte mit zellfreundlichen Materialien eine Geschwindigkeit von einem Meter pro Sekunde. Damit die Zellen \u00fcberleben und sich weiterentwickeln, muss der Prozess in wenigen Stunden abgeschlossen sein.<\/p>\n Das stellt einen wesentlichen Durchbruch bei der Einbettung von lebenden Zellen f\u00fcr die Zwei-Photonen-Polymerisation dar, erkl\u00e4rt Ovsianikov.<\/p>\n \u201eDie erreichte hohe Laserscan-Geschwindigkeit erm\u00f6glicht es, Strukturen schnell zu erzeugen, um statistische Analysen f\u00fcr Zellkulturexperimente und auch f\u00fcr die Produktion mit hohem Durchsatz zu erm\u00f6glichen.\u201c Aleksandr Ovsianikov<\/p><\/blockquote>\n Ein weiterer Vorteil der Methode ist, dass die Umgebung von Zellen individuell angepasst werden kann. Je nach Anlage der Struktur kann diese steifer oder weicher gemacht werden. Sogar feine, kontinuierliche \u00dcberg\u00e4nge sind m\u00f6glich. Durch die Laser-Intensit\u00e4t kann man au\u00dferdem den Abbau der Struktur in Relation zur Zeit einstellen.<\/p>\n Die Bio-Tinte basiert auf einem Gelatine-Norbornen-Hydrogel, wobei Dithiothreitol als Thiolvernetzer zusammen mit einem speziellen biokompatiblen Photoinitiator auf Diazosulfonatbasis (doi: 10.1039\/C8PY00278A) verwendet wurde.<\/p>\n Die Entdeckung der zellfreundlichen Bio-Tinte ist aber nicht blo\u00df ein technischer Durchbruch, sondern auch ein wesentlicher Beitrag zur Zellforschung. Die Mikrostrukturen, die aus dem Verfahren hervorgehen, erm\u00f6glichen eine bisher unerreichbare Genauigkeit. Neue Erkenntnisse in der Ausbreitung von Krankheiten im K\u00f6rper k\u00f6nnen gewonnen werden.<\/p>\n \u201eDar\u00fcberhinaus ist das Material auch mit Stammzellen kompatibel und wurde bereits mit adip\u00f6sen menschlichen Stammzellen im Labor getestet. Diese Zellen k\u00f6nnen, wie die in der Publikation verwendeten L929-Zellen, direkt in die 3D-Matrix eingebettet und nach einer geeigneten Architektur gedruckt werden. Das f\u00fchrt zu einer hervorragenden Zelllebensf\u00e4higkeit.\u201c Aleksandr Ovsianikov<\/p><\/blockquote>\n Das Forschungsprojekt stellt eine l\u00e4nder\u00fcbergreifende und interdisziplin\u00e4re Kooperation dar. Neben der TU Wien<\/em><\/a> waren mehrere belgische Forschungseinrichtungen beteiligt: die Polymer Chemistry and Biomaterials Group<\/em><\/a> in Gent, der Brussels Photonics Campus<\/em><\/a>, das Department of Applied Physics and Photonics<\/em><\/a> an der Universit\u00e4t Br\u00fcssel, Flanders Make<\/em><\/a> in Lommel und Vrije Universiteit Brussel<\/em><\/a>.<\/p>\n An der TU Wien waren drei Institute beteiligt: Das Institut f\u00fcr Werkstoffwissenschaften und Werkstofftechnologie, <\/em>das Institut f\u00fcr Angewandte Synthesechemie<\/em><\/a> und das Institut f\u00fcr Leichtbau und Struktur-Biomechanik<\/em><\/a>.<\/p>\n Die hochaufl\u00f6sende 3D-Drucktechnologie und die daf\u00fcr n\u00f6tigen Materialien werden von UPNano<\/a>, einem jungen erfolgreichen Spin-off-der TU Wien, umgesetzt.<\/p>\n Publikation:<\/strong> A. Dobos et al. (2019):\u00a0 Thiol\u2013Gelatin\u2013Norbornene Bioink for Laser\u2010Based High\u2010Definition Bioprinting, Advanced Healtcare Materials.<\/a><\/p>\n <\/p>\n Auch interessant<\/strong>:<\/p>\n 3D-Druck-Technologie zur nat\u00fcrlichen Regeneration von besch\u00e4digten Knochen<\/a><\/p>\n Biologisches Gewebeimplantat per 3D-Druck<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":" Bioprinting hat neue Perspektiven in die Zellforschung gebracht. Bisher blieben die 3D-Druckverfahren aber noch hinter den Erwartungen zur\u00fcck. An der TU Wien wurde nun eine spezielle Bio-Tinte entwickelt, welche die bestehenden Problem l\u00f6st. 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