3D-Biodruck mit Biotinte aus körpereigenen Zellen soll Knorpelschäden im Knie reparieren
Im Kinder- und Jugendalter verzeiht der Körper viel und Wehwehchen halten nicht lange an. Jahrelange Fehlbelastungen oder gar Verletzungen – durch sportliche Aktivität oder Übergewicht etwa – können allerdings die Knorpel in den Gelenken nachhaltig schädigen. Werden die Defekte im Knorpel nicht rechtzeitig gut behandelt, kann das im Alter zu Arthrose führen, für die es nach derzeitigem Stand keine wirksamen Therapien gibt. Ein Gelenk, das oftmals als erstes zu zwicken und schmerzen beginnt, ist das Kniegelenk. Da im Knorpel keine Blutgefäße vorhanden sind und daher auch nur wenig Selbstheilung stattfinden kann, werden Knorpelschäden häufig mit Transplantationen von körpereigenen Knorpelzellen aus einem gesunden Bereich des Gelenks behandelt. Dies lindert zwar die Schmerzen und bremst das Fortschreiten des Defekts, ist aber überflüssig, wenn der Schaden schon zu weit fortgeschritten ist.
Aus diesem Grund sucht die Medizin nach alternativen Behandlungsmöglichkeiten. Ein Forschungsprojekt des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung (IAP) und der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg (BTU) widmet sich seit Januar für vier Jahre der Entwicklung von Biotinten zur Behandlung von Knorpelschäden und zeigt die Potentiale des 3D-Biodrucks auf.
Sportliche Aktivitäten können zu Fehlbelastungen und langfristigen Schäden in den Gelenken und Knorpeln führen.
Das Projekt BioPol-3D wird mit rund 2 Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt und zielt darauf ab, personalisierte Knorpelimplantate aus dem 3D-Drucker zur Verstärkung des Knies herzustellen. Für den 3D-Biodruck mit den körpereigenen Knorpelzellen entwickeln die Forscher eine spezielle Biotinte, welche eben diese körpereigenen Zellen enthält und nach dem Einsetzen den defekten Knorpel ersetzt. “Im Projekt BioPol-3D entwickeln wir Tinten für den 3D-Biodruck, die bereits die Knorpelzellen der Patientin oder des Patienten enthalten. Die Zellen sind dabei in ein Hydrogel eingebettet. Diese Biotinten können während oder nach dem Druck vernetzt oder stabilisiert werden, um die gewünschte Form und Struktur zu erzeugen”, erklärt Professor Ruben R. Rosencrantz, Leiter des Forschungsbereichs “Life Science und Bioprozesse” am Fraunhofer IAP und Inhaber des Lehrstuhls “Biofunktionelle Polymermaterialien” an der BTU.
Für die Hydrogelmatrix nutzt die Forschergruppe Glykopolymere, welche synthetisiert werden und dann die nötigen Eigenschaften aufweisen, die natürliche Umgebung von Knorpelzellen im Körper nachzubilden. Dies ist ein neuer Ansatz, den die Forscher in diesem Projekt testen. Glykopolymere wurden nämlich bisher noch nicht als Konstruktionsmaterial herangezogen und müssen erst auf ihre Material- und Verarbeitunseigenschaften für das 3D-Bioprinting getestet und angepasst werden. Wie das gelingt?
Personalisierte 3D-gedruckte Implantate aus Biotinte mit körpereigenen Zellen sollen eine zukünftige Behandlungsmöglichkeit für Knorpelschäden sein. (Bild: Fraunhofer IAP / Jadwiga Galties)
“Bei der Entwicklung dieser Glykopolymere vereinen wir unser chemisches und biotechnologisches Know-how am Fraunhofer IAP in einzigartiger Weise. Diese Kombination spielt für BioPol-3D eine entscheidende Rolle, da die Materialoptimierung sehr genau auf die biologischen Vorgänge abgestimmt werden muss”, so Rosencrantz und BTU-Kollegin Prof. Ursula Anderer, Leiterin für die Arbeitsgruppe “Zellbiologie und Tissue Engineering” erklärt weiters: “Unser Ansatz, die Knorpelzellen zu verdrucken, geht über herkömmliche Verfahren hinaus, denn wir bringen die biologische Komponente – also die Knorpelzellen – direkt in Form. Es wird also nicht erst ein Gerüst gedruckt, auf dem später Zellen angesiedelt werden.”
Die Biotinte kann per 3D-Druckverfahren Schicht für Schicht in eine dreidimensionale Form gedruckt werden und so individuelle Implantate erzeugen. Die additive Fertigung von biologischen Materialien könnte hier zukunftsweisen sein und der Forschungsgruppe ist es unter anderem ein Anliegen, die Potentiale des 3D-Biodrucks mit ihrem Projekt hervorzuheben. Der 3D-Biodruck gilt als aufstrebender Markt, dem sich kleinere Unternehmen und Startups zuwenden, um die Entwicklung auf diesem Gebiet vorantreiben. Dennoch hängt der Erfolg maßgeblich von den Verfahren und Materialien ab. Im Projekt BioPol-3D betrifft dies die Zusammensetzung der Biotinte und deren Verarbeitung, welche für das Erreichen der individualisierten Knorpelimplantate entscheidend ist. Und dieses Unterfangen kommt nicht ohne Herausforderungen aus, wie Professorin Ursula Anderer betont:
Es gibt eine Vielzahl an Parametern, die wir berücksichtigen müssen, um druckfähige Tinten zu entwickeln: die empfindlichen Knorpelzellen müssen vital bleiben, die Tinten müssen biokompatibel und kontrolliert bioabbaubar sein und schließlich muss die gewünschte Knorpelform eine hohe Stabilität und Festigkeit aufweisen. Unser Ziel ist es, eine fortschrittliche 3D-Zellkultur für die Therapie von Knorpelschäden zu etablieren und gleichzeitig die Herstellung solcher Formkörper durch additive Fertigung zu revolutionieren.
Mehr zum Projekt finden Sie HIER. Was halten Sie von der Biotinte mit körpereigenen Zellen zur Behandlung von Knorpelschäden im Knie? Lassen Sie uns einen Kommentar da, oder teilen Sie es uns auf Facebook oder LinkedIN mit. Möchten Sie außerdem eine Zusammenfassung der wichtigsten Neuigkeiten im 3D-Druck und der additiven Fertigung direkt und bequem in Ihr Postfach erhalten? Dann registrieren Sie sich jetzt für unseren wöchentlichen Newsletter.
