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Wird die Herstellung einer künstlichen Lunge durch 3D-Druck möglich?

Am 8. Mai 2019 von Ann-Kathrin L. veröffentlicht
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Das generative Designstudio Nervous System hat an der Entwicklung von 3D-gedruckten Organen mitgewirkt und ist gerade auf dem Titelblatt des Science Magazine erschienen. Das Studio arbeitet seit jeher an der Schnittstelle von Wissenschaft, Kunst und Technologie. Sie nutzen Computersimulation, um Entwürfe aus der Natur zu generieren, die sie dann durch digitale Fertigung produzieren. In ihrem Blog verraten sie, dass sie seit drei Jahren mit Jordan Miller, einem Bioingenieur an der Rice University, an der Entwicklung von Gefäßnetzen für 3D-gedruckte Organe arbeiten. Diese komplexen Gefäßnetze, welche Blut oder Luft transportieren könnten, wurden so konstruiert, dass sie einer Lunge ähneln. Die im Science Magazine veröffentlichte Arbeit wurde von Jordan Miller at Rice und Kelly Stevens an der University of Washington geleitet.

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Science, 03 May 2019: Vol. 364, Issue 6439, pp. 458-464. Bildnachweis: Science Magazine

Jordan Miller war fasziniert von der Ausstellung ‚growing objects‘ von Nervous System, die eine Reihe von verzweigten Skulpturen zeigte. Die Fähigkeiten, die zur Schaffung solcher Strukturen erforderlich sind, könnten auf ein völlig anderes Gebiet übertragen werden, erklärt das Nervous System, „Er [Jordan Miller] schlug vor, unsere Fähigkeiten einer epischen Aufgabe zu widmen: „Vielleicht könnten wir zusammenarbeiten, um Open-Source-Software zu entwickeln, die die Welt nutzen könnte, um synthetische lebende Gewebe und Spenderorgane für menschliche Patienten zu entwickeln„. So entstand die Idee, die generativen Gestaltungsmöglichkeiten des Studios zu nutzen, um lebende Gewebe, oder gar ganze Organe, wie eine Lunge, zu schaffen.

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Die hyphae crispata 1 aus der ‘Growing Objects’ Ausstellung, die Jordan Miller inspirierte. Bildnachweis: Nervous System

Das Designstudio erklärt, dass es zwar viele Labore gibt, die künstliche Gewebe herstellen, das Problem aber darin besteht, sie am Leben zu erhalten. Es geht darum, die Milliarden von Zellen zu versorgen, die Unterstützung aus komplexen Gefäßnetzen benötigen. Diese liefern Nährstoffe und Sauerstoff, während sie Abfälle entfernen, und ohne sie sterben die künstlichen Gewebe schnell ab. Vor diesem Hintergrund strebt das Nervous System die Entwicklung einer Software an, die es Wissenschaftlern ermöglicht, maßgeschneiderte multi-vaskuläre Strukturen für 3D-gedruckte Organe zu entwerfen. Erstmals gelang es dem Designstudio in Zusammenarbeit mit dem Miller Lab, komplexe multi-vaskuläre Netzwerke zu entwerfen und zu realisieren. Dabei wurden weiche Hydrogele verwendet.

Das Miller Lab kombinierte Bioengineering, 3D-Drucktechnologie und Zellkulturtechniken, um die Gestaltung der Designs zu ermöglichen. Sie entwickelten den SLATE (Stereolithography Apparatus for Tissue Engineering) 3D-Drucker. Dieser Drucker ist in der Lage, lebende Zellen in weiche Gele zu injizieren, die sehr kleine und komplizierte Blutgefäße enthalten. Im Blog von Nervous System heißt es: „Hydrogele, die in nur wenigen Minuten von SLATE gedruckt werden, können als lungenartige Netzwerke mit komplizierten Luft-/Blut-Netzwerken funktionieren. Dieses neue Druckverfahren ermöglicht neue und dramatische architektonische Freiheiten in den lebenden Geweben, die wir entwerfen und herstellen können. Bioingenieure verfügen nicht über Werkzeuge, um diese komplexen Architekturen zu generieren, die unbedingt notwendig sind, um lebende Gewebe am Leben zu erhalten„.

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Bildnachweis: Jordan Miller, Rice University

Die Software für den 3D-Druck erzeugt „verworrene Gefäßnetze innerhalb eines beliebigen benutzerdefinierten Volumens und verbindet diese Netzwerke mit Ein- und Auslässen, damit Luft und Blut durch die verschlungenen Netzwerke fließen können„. Die entstandenen Gefäße sind nur 300 Mikrometer breit. Bisher wurden die Tests nur für kleine Strukturen durchgeführt – alveoläre Untereinheiten wurden beispielsweise gedruckt und getestet -, aber viel größere Netzwerke von ihnen werden auf Effizienz und Potenzial als künstliche Lunge getestet. Es ist schwieriger, einen 3D-Druck zu realisieren als zu entwerfen: „Es hat drei Tage gedauert, bis wir die lungenähnliche Geometrie generiert hatten, aber es ist auch etwa ein Jahr her, bis es möglich war, sie herzustellen„.

Schließlich schreiben Nervous System in ihrem Blog: „Wir fühlen uns sehr glücklich, dass wir die Möglichkeit hatten, an dieser bahnbrechenden Forschung teilzunehmen und freuen uns darauf, weiterhin mit Jordan Miller und seinem Team an diesem Projekt zu arbeiten„. Den vollständigen Blogeintrag können Sie HIER lesen, die Forschungsarbeit ist HIER verfügbar.

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