Ist beschleunigtes 3D Bioprinting die Lösung zum Druck von Organen?

Überall auf der Welt warten täglich unzählige Menschen auf ein Spenderorgan. Allein in Deutschland sind das 10.000 Menschen, in den USA sogar über 113.000. Laut dem U.S. Gesundheitsministerium bedeutet dies, dass jeden Tag ca. 20 Menschen in den USA sterben, da sie nicht rechtzeitig ein Spenderorgan erhalten konnten. Könnte also beschleunigtes 3D-Bioprinting von Organen die Lösung sein?

Wissenschaftler und Forscher arbeiten schon seit längerer Zeit an einer Lösung zu diesem Problem, unter anderem mit Bioprinting, dem 3D-Druck von menschlichem Gewebe und Zellen. So sollen benötigte Gewebe, Knochen, Blutgefäße oder sogar ganze Organe irgendwann einfach nach Bedarf gedruckt werden. Bisher lag die Schwierigkeit darin, die gedruckten Zellen lebensfähig zu halten. Jedoch arbeiten Forscher der UC Berkeley, Kalifornien, derzeit an einem 3D-Druckprozess, der dies ändern soll. Kürzlich veröffentlichten sie hierzu eine wissenschaftliche Arbeit im Journal of Medical Devices mit dem Namen: „A parallel multiple layer cryolithography device for the manufacture of biological material for tissue engineering“ über ihr Verfahren für beschleunigtes 3D-bioprinting.

Bildnachweis: Mitautor Gideon Ukpai

Eine der beiden größten Hürden im 3D-Biodruck betrifft die spezielle Temperatur und die chemischen Bedingungen, welche die gedruckten Zellen benötigen um zu überleben. Derzeit ist der 3D-Druckprozess von großen Organen noch zu langsam, was bedeutet, dass die Zellen schon während dessen absterben. Hinzu kommt dass, falls das Organ tatsächlich lebensfähig in 3D gedruckt werden kann, Transport und Lagerung, wie bei alles anderen Transplantationen, noch immer Schwierigkeiten bereiten.

Um diese Probleme zu lösen entwickelten die Wissenschaftler der UC Berkeley einen Vorgang, die Parallelisierung, bei dem mehrere Drucker 2D Schichten eines Organs gleichzeitig drucken, welche dann aufeinander gestapelt werden, um eine 3D-Struktur zu bilden. So wird das Absterben der Zellen minimiert. Die 2D-Schichten werden von einem Roboterarm von den Druckern zu der Station gebracht, wo sie aufeinander gestapelt werden, was den Druckprozess immens beschleunigt.

Das Druckverfahren. Bildnachweis: ASME Journal of Medical Devices

„Im Moment wird der Bioprint vor allem verwendet, um ein kleines Volumen an Gewebe herzustellen. Das Problem mit dem 3D-Biodruck ist, dass es sich um einen sehr langsamen Prozess handelt, so dass Sie nichts Großes drucken können, da sich die biologischen Materialien mit der Zeit verschlechtern. Eine unserer Innovationen ist, dass wir das Material während des Druckvorgangs einfrieren, so dass das biologische Material erhalten bleibt und wir die Einfrierrate kontrollieren können„, sagt Boris Rubinsky, Professor für Maschinenbau und Mitautor der Arbeit.

Was die Schwierigkeiten bei der Lagerung und des Transports angeht, stützt sich das Forscherteam auf über 7 Jahrzehnte Erfahrung zur Erhaltung von einzelnen Zellen. So werden die 2D-gedruckten Zellen direkt eingefroren, sobald sie mit der restlichen 3D-Struktur verbunden wurden. Auf diese Weise werden den Zellen die optimalen Bedingungen geboten, den Prozess des Einfrierens, der Lagerung und des Transports zu überleben.

„Da jede Schicht zu einer 3D-Struktur gestapelt wird, war eine der Innovationen, die wir umgesetzt haben, die 3D-Struktur in ein kryogenes Bad zu tauchen, um sie einzufrieren, anstatt dass sich das Bad füllt, um jede Schicht zu treffen„, sagte Joseph Sahyoun (Meng ’18, ME) und Co-Autor der Arbeit. „Diese Methode erlaubte es uns, die Gefriergeschwindigkeit genauer zu kontrollieren.„

Laut den Forschen könnte dieses 3D-Druckverfahren auch für den 3D-Druck von Lebensmitteln zukunftsweisend sein. Durch das Drucken von einzelnen schichten, kann mit verschiedenen Konsistenzen und Arten von Lebensmitteln experimentiert werden.

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Bildnachweis Beitragsbild: Cellink