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Forscher entwickeln 3D-gedruckte Blutgefäße aus Zucker

Auf 3. Juli 2020 von Sandra S. veröffentlicht

An der Rice University verwendeten Forscher zum Drucken komplexer 3D-Formen kein Polymer oder Metall, sondern Zucker! Zucker ist ein Inhaltsstoff, der in Zukunft einen besonderen Einfluss auf den medizinischen Sektor und das Verständnis unserer Zellen nehmen könnte. So haben die Forscher der Rice University erklärt, dass sie mittels Zucker komplexe Netzstrukturen, ähnlich denen von Blutgefäßen, herstellen konnte und es ihnen gelang, darauf Zellen zwei Wochen an Leben zu halten. Durch die Nachahmung der Blutgefäße hoffen die Forscher, mehrere Zellen mit Sauerstoff und anderen Nährstoffen zu versorgen und so eine langfristige Patientenversorgung zu ermöglichen.

Das Forschungsteam der Rice University beschäftigt sich seit einigen Jahren mit Blutgefäßen und Tissue Engineering. Eine der grössten Herausforderungen besteht darin, eine große Gewebestruktur zu entwerfen, die in der Lage sein soll, mehrere Hundertmillionen lebende Zellen zu versorgen. Ian Kinstlinger, Bioingenieurstudent an der Rice’s Brown School of Engineering, erklärt: „Die Versorgung aller Zellen in diesem großen Gewebespektrum mit ausreichend Sauerstoff und Nährstoffen ist eine enorme Herausforderung.“ Der menschliche Körper verfügt über verästelte Blutgefäße, die immer kleiner werden, aber immer zahlreicher, wie die Äste eines Baumes. Durch diese Verzweigung können Sauerstoff und Nährstoffe zu den Zellen im ganzen Körper strömen. Forscher haben sich der additiven Fertigung gewidmet, um diesen Mechanismus nachzubilden.

blood vessels 3D printed with sugar

Ian Kinstlinger ist für den Druck der Blutgefäße zuständig (Bildnachweis: Jeff Fitlow/Rice University)

Gedruckte Blutgefäße per SLS-Verfahren

Die Forscher untersuchten zunächst die Extrusion von geschmolzenen Zucker, erkannten aber, dass dieser nicht die benötigte Komplexität abbilden konnte. Also griffen sie auf das selektive Lasersintern zurück, indem sie einen modifizierten Open-Source-Laserschneider im Labor von Jordan Miller, einem Assistenzprofessor für Biotechnik an der Rice University verwendeten. Die Technologie ermöglichte es ihnen, Zucker-Modelle zu drucken, auf denen sie alle möglichen Kombinationen von Zellen und Materialien um sie herum bauen konnten. Anschließend trugen die Forscher ein zellhaltiges Gel auf.

Sobald die 3D-gedruckten Zuckerstrukturen mit Zellen angereichert wurden, wurden sie mit Sauerstoff und anderen Nährstoffen versorgt. Für einen ersten Test verwendeten die Forscher Leberzellen, die für gewöhnlich besonders problematisch in der Erhaltung außerhalb des Körpers sind.Tatsächlich waren die 3D-gedruckten Blutgefäße dazu in der Lage, die Zellen zwei Wochen lang mit Nährstoffen zu versorgen und sie so am Leben zu erhalten.

blood vessels 3D printed with sugar

Für das Forschungsprojekt wurde auf das SLS-Verfahren zurückgegriffen (Bildnachweis: Jeff Fitlow/Rice University)

Weshalb Blutgefäße mit Zucker drucken?

Die obig genannte Frage ist vermutlich eine, mit die Forscher häufig konfrontiert werden. Ian Kinstlinger erklärt, dass Zucker in trockenem Zustand lange haltbar ist und sich schnell in Wasser auflösen kann, ohne benachbarte Zellen zu schädigen, was ihn für den Druck von Blutgefäß-Modellen besonders interessant macht. Zur Herstellung des endgültigen Druckmaterials würden mehrere Zuckerarten miteinander vermischt. Sobald der Teil mit dem flüssigen Gel injiziert ist, wird der Zucker gelöst und abgesaugt, um einen Kanal für Nährstoffe und Sauerstoff zu schaffen. Kinstlinger fährt fort: „Ein großer Vorteil dieses Vorgehens ist die Geschwindigkeit, mit der wir jede Gewebestruktur erzeugen können. Wir können einige der größten je gezeigten Gewebemodelle in weniger als fünf Minuten erstellen.“

Die Forscher haben Berichten zufolge zusätzlich einen patientenspezifischen Algorithmus entwickelt, um große, hochkomplexe Strukturen zu erzeugen und sicherzustellen, dass sie korrekt gedruckt wurden. Es handelt sich dabei um einen Algorithmus, der in enger Zusammenarbeit mit dem Nervous System Design Studio entwickelt wurde. Weitere Informationen finden Sie hier.

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