GRACE, das Fertigungsverfahren, das vor dem Drucken nachdenkt

Was wäre, wenn Ihr 3D-Drucker Augen und ein Gehirn hätte? Das ist die Idee hinter GRACE, einer Drucktechnik, die von einem Team der Universität Utrecht in den Niederlanden entwickelt wurde. Es handelt sich um einen Workflow, der auf einem volumetrischen Druckverfahren und Künstlicher Intelligenz basiert, sodass die verwendete Maschine selbst an der Entwurfsphase mitwirken kann. Konkret wäre sie beispielsweise in der Lage, zu erkennen, wo sich die Zellen in der Biotinte befinden, und ein Netzwerk von Blutgefäßen um sie herum zu erstellen. Ein großer Fortschritt für den medizinischen Bereich, der jedoch noch in den Kinderschuhen steckt.

Das Bioprinting macht jeden Tag Fortschritte, das ist unbestreitbar. Wenn Sie regelmäßig die Nachrichten verfolgen, haben Sie sicherlich die Fortschritte und Hindernisse bemerkt, die einige Forscher überwinden konnten. Natürlich gibt es noch viele weitere Herausforderungen. Eine davon ist zweifellos die Schaffung funktionsfähiger Blutgefäße, die Sauerstoff und Nährstoffe zu den Zellen transportieren können. Tatsächlich erfordern die aktuellen Bioprinting-Techniken die Konzeption des Modells dieser Gefäße, noch bevor bekannt ist, wo sich die Zellen in der verwendeten Biotinte befinden. Es ist schwierig, die Bedürfnisse dieser lebenden Strukturen zu erfüllen, ohne zu wissen, wo sie sich befinden.

Das GRACE-Verfahren.

Riccardo Levato ist Professor an der Universität Utrecht und leitet das Levato Lab, das dieses GRACE-Verfahren (Generative, Adaptive, Context-Aware 3D printing) entwickelt hat. Zusammen mit seinem Team hat er nach einer effizienteren, intelligenteren und zuverlässigeren Lösung für das Bioprinting gesucht. Schnell wandte er sich dem volumetrischen Druck zu: Anstatt aufeinanderfolgende Schichten von Zellen aufzutragen, wird ein lichtempfindliches Gel in einem einzigen Schritt verfestigt, um die gesamte Struktur zu erstellen. Riccardo Levato erklärt: „Um eine Struktur aufzubauen, projizieren wir eine Reihe von Lichtmustern in ein rotierendes Rohr, das mit lichtempfindlichem Gel und Zellen gefüllt ist. Dort, wo die Lichtstrahlen zusammenlaufen, verfestigt sich das Material. So kann ein komplettes 3D-Objekt in einem einzigen Schritt hergestellt werden, ohne dass die Zellen berührt werden müssen.“ Das Verfahren ist schneller und weniger gefährlich für die Zellen.

Diese Technik erfordert Kenntnisse über die Lage der Zellen, um den bestmöglichen Abdruck zu erzielen und diese zu erhalten. Das Team hat daher ein System mit Laserlicht entwickelt, das die chemische und architektonische Zusammensetzung des zu bedruckenden Materials kartografieren kann. Anhand dieser Zusammensetzung wählt die Maschine die richtige Geometrie für die Herstellung aus. Dabei kommen Künstliche Intelligenz, 3D-Bildgebung, Computer Vision und parametrische Modellierung zum Einsatz. Sammy Florczak ist Doktorand in diesem Labor. Er war an der Entwicklung dieses Verfahrens beteiligt: „In der Vergangenheit war der Druck immer vom Entwurf des Designers abhängig. Heute trägt GRACE selbst zum Entwurf bei. Der Drucker „sieht“, welche Arten von Zellen sich im Material befinden und wo sie sich befinden. Anschließend erstellt er mithilfe von KI-Tools ein Design, das auf das zu druckende Objekt zugeschnitten ist. Dieser neue Drucker verfügt im Wesentlichen über eigene „Augen“ (Laserbildgebung) und ein eigenes „Gehirn“ (die neue KI-Software). Durch diesen Grad an Individualisierung lassen sich Gewebe herstellen, die besser überleben und funktionieren.“

Bildung des Blutgefäßnetzes in Abhängigkeit vom Vorhandensein von Zellen in der Biotinte

GRACE könnte also verschiedene Hindernisse überwinden – wir haben Ihnen von Blutgefäßen erzählt, aber es gibt noch viel mehr Anwendungsmöglichkeiten. Denken Sie zum Beispiel an die Pharmaindustrie – mit diesem Verfahren könnten Strukturen entwickelt werden, die einen perfekt dosierten Wirkstoff freisetzen. Das Team hat auch die Erstellung eines Knochenmodells mit Knorpel untersucht: Ein Femur wurde in einem Gel, das aus Gelenkknorpel gewonnene Zellen und Knochenmarkstammzellen enthielt, in 3D gedruckt. Anschließend konnte GRACE den Knorpel automatisch um den Femurkopf positionieren und drucken.

Riccardo Levato fasst zusammen: „Diese erste Arbeit mit GRACE ist nur der Anfang. Wir arbeiten derzeit daran, die Anzahl der druckbaren Zellen zu erhöhen, um auch andere Gewebe wie Herz und Leber drucken zu können. Außerdem möchten wir diese Technik anderen Labors zugänglich machen, damit sie sie für ihre eigenen Druckverfahren nutzen können.“ Übrigens ist nicht gesagt, dass GRACE in Zukunft nicht auch in anderen Branchen als dem medizinischen Bereich zum Einsatz kommen wird. Die gesamte Forschungsarbeit finden Sie HIER.

Die Anwendungen sind vielfältig.

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*Bildnachweise: Riccardo Levato