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Ein 3D-gedrucktes Herzmodell ahmt die Elastizität des menschlichen Herzgewebes nach

Auf 25. November 2020 von Michelle J. veröffentlicht
Das 3D-gedruckte Herzmodell

An der Carnegie Mellon University in Pittsburgh hat ein Forscherteam ein Druckverfahren namens FRESH (Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogel) entwickelt, um ein 3D-gedrucktes Herzmodell zu entwerfen, das Chirurgen bei ihren Operationen unterstützen soll. Mit Alginat als Material ermöglicht dieses Verfahren die Reproduktion des weichen und elastischen Aussehens des Organgewebes: Wenn man es zusammendrückt, verformt sich das Herz, genau wie ein echtes menschliches Herz. Dadurch wird es zu einem viel realistischeren medizinischen Instrument, das es den Chirurgen ermöglicht, beispielsweise Nähte durchzuführen, was bei undurchdringlichem Plastik unmöglich wäre.

Die Fortschritte, die im Sektor des Biodrucks erzielt wurden, sind immer beeindruckender: Heute nutzen viele Akteure die additive Fertigung, um Zellen zu extrudieren und so lebendes Gewebe zu entwerfen. Sie bewegen sich allmählich auf die Schaffung funktioneller menschlicher Organe zu. Obwohl bis zur Implantation eines bioimplantierten Organs bei einem Patienten noch viele Fortschritte erzielt werden müssen, sind die Projekte ermutigend. Eines ist sicher: Der 3D-Druck ist zu einer echten Methode zur Herstellung maßgeschneiderter anatomischer Modelle geworden, die unseren Pflegern hilft, sich besser auf eine Operation vorzubereiten oder besser zu verstehen, wie die menschliche Anatomie funktioniert. Ziel ist es, das Organ eines Patienten anhand der Daten eines MRT-Scans nachzubilden. Einige 3D-Drucktechnologien sind so genau, dass sie z.B. die Vaskularisierung oder andere komplexere Teile reproduzieren können.

Das 3D-gedruckte Herzmodell

Das 3D-gedruckte Herzmodell

Reproduktion der Elastizität des menschlichen Herzgewebes

Die Carnegie-Mellon-Universität wollte eine Methode entwickeln, um die Beschaffenheit des menschlichen Herzens, selbst den weichen und elastischen Aspekt seines Gewebes, nachzuahmen. Die Forscher erklärten, dass sie Alginat verwendeten, ein weiches Material, das aus Meeresalgen gewonnen wird und zudem sehr erschwinglich ist. Sie benutzten einen 3D-FDM-Drucker, aber anstatt das Modell im Freien auf eine Druckplatte zu extrudieren, haben sie das Material Schicht für Schicht in einem Gelatinebehälter aufgebracht.

Adam Feinberg, biomedizinischer Ingenieur und Mitverfasser der Forschungsarbeit, fügt hinzu: „Stellen Sie sich vor, Sie drucken in ein Styling-Gel und denken Sie an die kleinen Bläschen, die in der Flasche schweben: Das Gel gibt ihnen genügend Halt, um unbegrenzt zu schweben, oder zumindest bis Sie das Gel aus der Flasche nehmen. In unserem Fall bietet das Gel genügend Halt, damit die Nadel des 3D-Druckers hineinrutschen kann. Alles, was Sie extrudieren, kann dann an Ort und Stelle bleiben.“ Sobald das Organ gedruckt ist, müssen die Forscher diese Gelatineschicht um das Organ herum loswerden. Es handelt sich um ein Material, das bei Kontakt mit Wärme schmilzt. Wenn man also die Mischung einfach auf Körpertemperatur anhebt, würde das Gel entfernt und die 3D-Druckstruktur wieder hergestellt werden.

Adam Feinberg setzt seit einigen Jahren die additive Fertigung ein.

Ein solches 3D-gedrucktes Herzmodell auf Alginat würde nur 10 Dollar kosten, was es mehreren Krankenhäusern ermöglichen könnte, ihren Chirurgen eine solche Lösung anzubieten. Adam Feinberg erklärt, dass er andere Materialien wie Kollagen testen möchte, was eine noch realistischere Lösung wäre. Aber im Moment ist Kollagen viel teurer: Das gleiche Herz würde 2.000 Dollar kosten! Eine Investition, die minimal bleibt, wenn man die gesamte komplexe Herzoperation betrachtet. Adam Feinberg sagt: „Wir glauben, dass es eine Reihe von Anwendungen gibt, bei denen sich der Realismus von Kollagen wahrscheinlich lohnt. Aber wenn man im Labor forscht – und wenn man bei der Entwicklung der Technologie viele Fehler macht – ist es besser, ein billigeres Material zu verwenden, daher die Wahl des Alginats.“

Ein noch realistischeres 3D-gedrucktes Herzmodell

Zusätzlich zu dem 3D-gedrucktem Herzmodell hätte das Team die gleiche 3D-Drucktechnik verwendet, um eine Koronararterie zu entwerfen. Ziel war es, zu sehen, ob es perfundierbar ist und Blut zirkulieren kann. Durch das Pumpen von Falschblut scheint es, dass die Arterie die Flüssigkeit aufrechterhält: Dies könnte ein erster Schritt zur Schaffung eines Herzens mit einem verbundenen Gefäßsystem sein. Die Chirurgen könnten dann das Nähen der Arterien unter fast realen Bedingungen üben.

Worauf dieses Forscherteam wirklich hofft, ist, dass es in der Lage sein wird, Zellen in das 3D-gedruckte Herzmodell einzuführen, um es zum Schlagen zu bringen. Die Kultivierung dieser Zellen hat im Labor bereits begonnen, aber heute konnten nur 100 Millionen Zellen gleichzeitig in das gedruckte Organ eingebracht werden, im Vergleich zu 100 Milliarden bei einem normal großen Herz. Weitere Informationen finden Sie HIER.

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