Was ist Bioprinting?

Das Konzept der Verwendung von 3D-Druck zur Herstellung von lebendem Gewebe, insbesondere von transplantierbaren Organen, war in der Presse auf großes Interesse gestoßen. Aber wie funktioniert diese neue Technologie namens „Bioprinting“ eigentlich?

Einfach ausgedrückt ist Biodruck die Praxis, mit der 3D-Drucktechnologie organische Zellstrukturen anstelle von Kunststoff- oder Metallteilen zu erzeugen. Damit ist es möglich, Funktionsgewebe zu drucken, das dann in der medizinischen Forschung oder für Transplantationszwecke verwendet werden kann. Langfristig könnte die Technologie im Zuge der Weiterentwicklung der Technologie tatsächlich zum Drucken funktioneller Organe auf der Grundlage der eigenen Zellen von Transplantationspatienten verwendet werden, um das Risiko einer Organabstoßung möglicherweise zu eliminieren.

Wie beim „herkömmlichen“ 3D-Druck funktioniert der Biodruck, indem er auf einem Druckbett schichtweise Strukturen aufbaut. Da jedoch mit lebendem Gewebe und nicht mit Metallen und Kunststoffen gearbeitet wird, unterscheidet es sich in vielerlei Hinsicht grundlegend. Schauen wir uns das im Detail an…

Wie funktioniert es?

Alle Biodruckprojekte beginnen mit einem 3D-Modell des zu erstellenden Teils. Diese kann durch einen CT-Scan oder MRT eines realen Körperteils generiert oder durch 3D-Modellierung von Grund auf neu erstellt werden. Das Modell muss dann in eine Form übersetzt werden, die erfolgreich biogedruckt werden kann, was bedeutet, dass die Architektur des Gewebes festgelegt werden muss. Die entsprechenden Zellen werden daher isoliert und (möglichst aus dem Originalgewebe) in einer speziellen Lösung eingefangen, die sie am Leben und mit Sauerstoff versorgt und druckbereit hält. Diese druckbaren Lösungen werden als „Biotinten“ bezeichnet. Da die Geweberegeneration die Verwendung von „Gerüsten“ erfordert (die physischen Stützen, die für das Wachstum von Zellen benötigt werden), werden in der Regel mehrere solcher Tinten für ein Bioprinting-Projekt benötigt, was Multimaterialdrucker zu einer Notwendigkeit macht. Diese Gerüste könnten als das Gegenstück zu den Tragstrukturen des herkömmlichen 3D-Drucks angesehen werden.

Eine Reihe verschiedener Technologien kann verwendet werden, um diese Biotinten in lebendes Gewebe umzuwandeln. Die frühesten Biodrucktechniken verwendeten einen Ansatz im Tintenstrahlstil (dazu später mehr), aber auch Stereolithographie- und Extrusionsdrucker wurden erfolgreich eingesetzt. Unabhängig von der verwendeten Technologie sollte der Druckprozess jedem AM-Profi vertraut sein:Der Drucker baut Schichten des/der gewählten Materials(e) auf dem Druckbett auf, bis das gesamte 3D-Modell zum Leben erweckt ist.

Schließlich ist nach Abschluss des Druckvorgangs eine gewisse Nachbearbeitung erforderlich, um die Integrität des Gewebes zu erhalten, da die neu gedruckten Zellen nicht sofort verbunden werden, wie dies bei bedrucktem Kunststoff oder Metall der Fall wäre. Dies beinhaltet typischerweise mechanische oder chemische Simulationen, die den Umbau und das Wachstum des Gewebes auslösen. Ein komplexeres Beispiel hierfür ist die Verwendung von „Bioreaktoren“, um das Wachstum und die Vaskularisierung (d. h. die Entwicklung von Blutgefäßen) von Gewebe zu fördern.

Das folgende Video gibt einen guten Überblick über das Bioprinting-Verfahren:

Pioniere und Branchenführer von Bioprinting

3D-Drucker, die für das Drucken von Geweben auf diese Weise entwickelt wurden, werden allgemein als „Biodrucker“ bezeichnet. Der erste funktionierende Bioprinter wurde von Professor Makoto Nakamura von der University of Toyama vorgestellt, der seine Fähigkeiten durch das Drucken eines biologischen Röhrchens, ähnlich einem Blutgefäß, demonstrierte. Wie oben erwähnt, wurde dabei ein tintenstrahlbasierter Druckansatz verwendet (tatsächlich basierte der erste Prototyp auf einem modifizierten Epson-Drucker!). Professor Nakamura hat seitdem seine Forschungen zu den potenziellen Anwendungen des Bioprintings fortgesetzt.

Organovo ist ein weiterer Marktführer auf dem Gebiet des Biodrucks und hat mit seinem Partnerunternehmen Invetech zusammengearbeitet, um einen rentablen kommerziellen Biodrucker bereitzustellen:den NovoGen MMX. Der Ansatz von Organovo zum Bedrucken von Gewebe umfasst einen speziell entwickelten Mehrkopfdrucker mit separaten Druckköpfen für Herzzellen, Endothelzellen und ein Kollagen-Biopapier, das als Gerüst dient.

Die Technologie hat auch die Aufmerksamkeit des US-Militärs auf sich gezogen, das in die Forschung investiert hat, ob Bioprinting zur Behandlung von verletzten Soldaten eingesetzt werden könnte. Als Vorreiter auf diesem Gebiet wurde 2008 das Institut für Regenerative Medizin der Bundeswehr (AFIRM) gegründet, an dem Universitäten, Forscher und Militärwissenschaftler im Rahmen einer Kooperation zusammenarbeiten.

In Deutschland forscht das Fraunhofer-Institut laufend am Drucken ganzer Organe, sowohl für Transplantationszwecke als auch um Tierversuche in Forschungsumgebungen überflüssig zu machen. Insbesondere haben ihre Forscher erhebliche Fortschritte bei der Vaskularisierung von biogedrucktem Gewebe gemacht und eng mit dem ArtiVasc 3D-Projekt zusammengearbeitet, um 3D-gedruckte Blutgefäße zu schaffen, die Gewebe wie ein lebender Körper mit Nährstoffen versorgen.

Wie andere 3D-Drucktechnologien verfügt auch Bioprinting bereits über eigene Materialspezialisten, die sich auf die Entwicklung anspruchsvoller Biotinten konzentrieren. Das schwedische Unternehmen Cellink beispielsweise hat sich in dieser Hinsicht schnell als Branchenführer etabliert, indem es ein umfassendes Sortiment an selbst hergestellten Biotinten zusammen mit der Technologie zu ihrer Verwendung anbietet.

Wie geht es weiter?

Während die potenziellen Vorteile des Biodrucks sicherlich die Fantasie der Öffentlichkeit erregt haben, wird es wie bei jeder neuen Technologie Zeit brauchen, um zu reifen und sich zu etablieren. Wir erwarten, dass der Biodruck einen ähnlichen Weg einschlägt wie die aufstrebende additive Fertigungsindustrie. Da die Technologie immer mehr in der „realen Welt“ eingesetzt wird, werden frühe Erfolge ihr helfen, ihre idealen Nischen zu etablieren. An diesem Punkt wird sich der Fokus auf die Etablierung der Prozesse und ergänzenden Tools verlagern, die die Leistung optimieren.

An diesem Punkt werden Wissenschaftler, Ärzte und Patienten (zusammen mit anderen Branchen, in denen der Biodruck seine potenziellen Anwendungen noch nicht entdeckt hat) den vollen Nutzen der Technologie erkennen. Der Weg dorthin wird sicherlich lang und komplex sein, aber wir erwarten enorme Vorteile.