Mikrofluidisches 3D-Bioprinting: der Schlüssel zur besseren Reproduktion zellulärer Strukturen?

Am Stevens Institute of Technology in den USA entwickelt ein Forscherteam ein mikrofluidisches Bioprinting-Verfahren. In diesem Wissenschaftszweig werden Flüssigkeiten mit Eigenschaften im Mikrometerbereich verarbeitet. Dieses Projekt würde es nun ermöglichen, in einem viel kleineren Maßstab zu arbeiten, als bisher untersucht wurde und somit jede Art von menschlichem Gewebe herzustellen. Dies wird den Forschern helfen, die biologischen Eigenschaften von Zellen im menschlichen Körper sehr genau zu reproduzieren und beispielsweise Organtransplantationen zu beschleunigen.

Unter der Leitung von Professor Robert Chang hat das Team ein Berechnungsmodell entwickelt, um das mikrofluidische Bioprinting zu beschleunigen und die Organentwicklung zu ermöglichen. Wie wir wissen, ist das Bioprinting in der Lage, maßgeschneiderte zelluläre Strukturen zu reproduzieren, um z. B. die Herstellung von Haut oder sogar Organen zu ermöglichen. Wir sind noch weit davon entfernt, ein 3D-gedrucktes Herz oder eine voll funktionsfähige Niere in menschliche Körper einzusetzen, aber auf dem Gebiet der regenerativen Medizin werden bedeutende Fortschritte erzielt.

In der Mikrofluidik wird ihr Verhalten auf der Mikro- und Mesoskala untersucht.

Die Forschung des US-Teams könnte das Bioprinting mit seiner Mikrofluidik-Technologie völlig verändern. Die auf dem Markt erhältlichen 3D-Biodrucker basieren hauptsächlich auf der schichtweisen Extrusion von Tinten bis zu einer Dicke von etwa 200 Mikrometern. Mit der Mikrofluidik wäre es jedoch möglich, einen Maßstab von nur einigen zehn Mikrometern zu erreichen und damit der zellulären Realität einen großen Schritt näher zu kommen. Robert Chang erklärt: „Die Schaffung neuer Organe auf Abruf und die Rettung von Leben, ohne dass ein menschlicher Spender benötigt wird, wird ein Durchbruch für den medizinischen Sektor sein. Dies ist jedoch kompliziert, da beim Bioprinting von Organen „Biotinten“ verwendet werden, d. h. Hydrogele, die mit kultivierten Zellen beladen sind. Diese erfordern ein Maß an feiner Kontrolle über die Geometrie und Größe der gedruckten Mikrofasern, das mit den derzeitigen Maschinen einfach nicht erreicht werden kann.“

Diese Skala ist von entscheidender Bedeutung, da sie die Biologie des jeweiligen Organs selbst betrifft. Indem das Team so nah wie möglich an die Größe menschlicher Zellen herankam, konnte es die biologischen Eigenschaften jeder Zelle genauer reproduzieren. Es wurde ein Computermodell eines mikrofluidisches Bioprinting-Druckkopfes entwickelt, um Parameter wie Strömungsgeschwindigkeit und Fluiddynamik zu steuern. Anhand dieses Modells können die Geometrien und Materialeigenschaften der biogedruckten Struktur verändert werden. Vor allem bietet es die Möglichkeit, mehrere Biotinten und damit mehrere Zelltypen zu mischen, um komplexere Gewebe zu schaffen.

Die derzeitigen 3D-Biodrucker basieren auf einem Extrusionsverfahren (Bild: Departement06-Xavier Giraud)

Bislang haben die Forscher nach eigenen Angaben Blasen mit 3D-Druckmedien gedruckt. Aber durch die Kombination mehrerer Biotinten hoffen sie, noch viel weiter gehen zu können. Robert Chang fasst zusammen: „Da wir in diesem Maßstab arbeiten und die Biotinten genau mischen können, können wir jede Art von Gewebe reproduzieren. Die Technologie ist noch so neu, dass wir nicht genau wissen, was sie bewirken wird. Aber wir wissen, dass sie die Tür zur Schaffung wichtiger neuer Strukturen und neuer Methoden in der Biologie öffnen wird.“

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