Bioprinting und Spritzguss: Neue Methode für das Design medizinischer Implantate

In der Gewebezucht findet Bioprinting immer häufiger Einsatz, weil damit Geräte entworfen werden können, die die Rekonstruktion von Knochen oder Muskeln fördern. In der Regel werden 3D-gedruckte Gerüste in den Körper eines Patienten implantiert, um Zellen zur Vermehrung anzuregen und so Verletzungen zu heilen, die unterschiedlich schwerwiegend sein können. Eines der bestehenden Hindernisse ist die Größe dieser Strukturen und ihre Komplexität: Die Verwendung von Scaffolds (strukturellen Gerüsten) im Mikrometerbereich bleibt kompliziert. Warum also nicht einen indirekteren Ansatz wählen?

Hier kommt das Forscherteam vom Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT University) ins Spiel, das zusammen mit Ärzten des St. Vincent’s Hospital in Melbourne eine innovative Methode zum Bioprinting medizinischer Implantate entwickeln konnte. Anstatt Gerüste zu entwerfen, auf denen sich Zellen vermehren, haben sie sich entschieden, 3D-Formen mit Hohlräumen zu drucken, in die sie biokompatible Materialien injizierten. Sobald die Form in Wasser aufgelöst wird, bleibt nur noch dieses Bio-Gerüst übrig. Diese Technik, Negative Embodied Sacrificial Template 3D (NEST3D) genannt, soll mit einer Vielzahl an Materialien kompatibel sein, würde aber vor allem die Schaffung mikroskopischer Strukturen ermöglichen.

Mit ihrer Methode können die Forscher viel komplexere und kleinere Strukturen entwerfen. (Bildnachweis: RMIT University)

Um die Schwierigkeit der Verwendung von Gerüsten im Mikrometerbereich zu lösen, entschied sich das Forscherteam für den 3D-Druck einer Form, die aus komplexen, kompliziert gemusterten Hohlräumen besteht. Anschließend konnten sie biokompatible Materialien in diese Löcher injizieren, die ein passendes Gerüst für jede Zelle bilden. Die Forscher erklären, dass sie für die Herstellung der Form einen herkömmlichen PVA-Kleber verwendet haben, in den ebenfalls das biokompatible Material injiziert wurde. Sobald die Form ausgehärtet ist, wird sie in Wasser getaucht, wodurch sich der Klebstoff vollständig auflöst. Alles, was übrig bleibt, ist das kompliziert geformte Gerüst, das so klein ist wie ein Fingernagel.

Stephanie Doyle ist eine der Forscherinnen in dieser Studie. Sie fügt hinzu: „Der Vorteil unserer fortschrittlichen Spritzgusstechnik ist ihre Vielseitigkeit. Wir können Dutzende von Versuchs-Biogerüsten aus vielen verschiedenen Materialien herstellen – von biologisch abbaubaren Polymeren bis hin zu Hydrogelen, Silikonen und Keramiken – ohne, dass eine strenge Optimierung oder Spezialausrüstung erforderlich ist. Wir sind in der Lage, 3D-Strukturen mit einem Durchmesser von nur 200 Mikrometern herzustellen, was der Breite von vier menschlichen Haaren entspricht, und mit einer Komplexität, die mit lichtbasierten Herstellungsverfahren vergleichbar ist.„

Stephanie Doyle und Dr. Cathal O’Connell vor dem 3D-Drucker, der das Bioprinting medizinischer Implantate durchführt (Bildnachweis: RMIT University)

Diese Methode könnte kostengünstiger, einfacher und skalierbar sein, da fast jeder beliebige auf dem Markt verfügbare FDM-3D-Drucker verwendet werden könnte. Für die Gestaltung von Gerüsten beim Bioprinting ist lediglich die Größe der Düse der Maschine entscheidend: Sie muss groß genug sein, um die Tinte zu extrudieren. Dies wirkt sich zwangsläufig auf die endgültige Größe des Teils aus und schränkt die Möglichkeiten ein. Durch den 3D-Druck einer Form könnten jedoch viel dünnere Räume erreicht werden.

Nach dem Testen ihrer Gerüste waren die Forscher zufrieden und konnten ihre Erfindung als sicher und ungiftig deklarieren. Sie hoffen nun, die Zellrekonstruktion zu beschleunigen, indem sie verschiedene Designs und Möglichkeiten testen. In jedem Fall ist es ein erster Schritt für Ärzte, die von einer zugänglicheren Lösung profitieren könnten. Professor Claudia Di Bella, eine orthopädische Chirurgin am St. Vincent’s Hospital, fasst zusammen: „Ein häufiges Problem, mit dem Kliniker konfrontiert werden, ist die Unfähigkeit, Zugang zu technologischen und experimentellen Lösungen zu bekommen, mit denen tägliche Probleme gelöst werden könnten. Während ein Kliniker der beste Fachmann ist, um ein Problem zu erkennen und über mögliche Lösungen nachzudenken, können biomedizinische Ingenieure diese Idee in die Realität umsetzen. Zu lernen, wie man eine gemeinsame Sprache zwischen Ingenieuren und Medizinern etablieren kann, ist oft eine anfängliche Barriere, aber sobald diese überwunden ist, sind die Möglichkeiten endlos.“ Weitere Informationen finden Sie auf der Webseite der Universität sowie im nachstehenden Video:

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