3D-Bioprinting erklärt: Definition, Geschichte, Funktionsweise und Haupttypen

3D-Bioprinting umfasst eine Gruppe von Technologien im Frühstadium. Diese Forschungsbereiche untersuchen die Verwendung biologischer Materialien beim Druck funktionaler Implantate und Testgeräte, die reale Gewebe simulieren, stimulieren oder replizieren – entweder für Patientenimplantate oder als Forschungswerkzeuge. Obwohl sich diese Technologien in einem sehr frühen Stadium befinden, versprechen sie Paradigmenwechsel bei medizinischen Eingriffen mit dramatischen und weitreichenden Auswirkungen.

Was versteht man unter 3D-Bioprinting?

3D-Bioprinting ist die Verwendung biologischer und biofunktionaler Materialien in der additiven Fertigung. Hochspezialisierte Drucker erstellen daraus dreidimensionale Strukturen. Beispiele hierfür sind: lebende Zellen, bioaktive Gerüst- oder Scaffold-Materialien und Biomoleküle. Der Prozess nutzt typische 3D-Druckverfahren, um das biologische Material schichtweise abzulagern, was biologische Mimikry, Gerüste und Ersatzkonstruktionen für vielfältige medizinische Zwecke ergibt.

Ziel des 3D-Bioprintings ist die Herstellung hochfunktionaler, komplexer Gewebekonstrukte und schließlich ganzer Organe. Diese dienen medizinischen Zwecken wie Patientenimplantation, Medikamententests und Pathologiemodellierung. Die Technologie befindet sich derzeit noch auf einem eher primitiven Niveau. Was funktionierende Gewebe betrifft, deutet der Forschungsfortschritt jedoch darauf hin, dass sie das Gesundheitswesen revolutionieren wird, indem sie die maßgeschneiderte Herstellung von Organen ermöglicht, die funktional ähnlich oder sogar besser sind als die natürlichen Gewebe, die sie replizieren.

Wann begann 3D-Bioprinting?

Es gibt keinen einzelnen Moment, in dem die Technologien und Forschungen, die zum 3D-Bioprinting führten, plötzlich zu Patientenslösungen durchbrachen. Dennoch ragen mehrere bedeutende Ereignisse als wegweisend für die Grundlagen dieser Technologie hervor. Gabor Forgacs beobachtete, dass sich Zellen in „neue“ räumliche Strukturen organisieren lassen und diese Struktur unbegrenzt beibehalten. Dieses Verständnis war später entscheidend für den 3D-Aufbau biologischer Strukturen, da es lehrte, dass sie dazu gebracht werden können, eine Form beizubehalten.

Biokompatible Materialien begannen um das Jahr 2000 in regenerativen Gesundheitslösungen eingesetzt zu werden. Dies führte direkt zum Bau räumlicher Gerüste, die an der Wake Forest University entwickelt wurden. Die Gerüste wurden mit kultivierten Patientenkolonisiert und ohne Abstoßungsreaktionen oder Immunsuppressiva implantiert. Sie erwiesen sich als langzeitstabil. 2002 wurde die Bio-Extrusionstechnologie von Landers berichtet und als „3D-Bioplotter“ kommerzialisiert. Wilson und Boland nutzten 2003 einen modifizierten HP-Tintenstrahldrucker als Bioprinter und entwickelten 2004 zellbeladenes Bioprinting mit einem kommerziellen SLA-Drucker zur Gerüstkonstruktion.

Wie funktioniert 3D-Bioprinting?

Der Prozess des 3D-Bioprintings besteht im Allgemeinen aus folgenden Schritten:

1. Erstellung eines 3D-Designs der zu druckenden Gewebe oder Organe. Tools wie BioPrint Pro von Allevi 3D entwickeln sich rasant.
2. Auswahl des idealen Bioinks. Das im 3D-Druck verwendete Material enthält beispielsweise Proteine und Wachstumsfaktoren in biokompatiblen, fotogeärteten Harzen. Dies sind gebrauchsfertige Materialien für den Druck in geeigneten SLA-Bioprinter-Geräten. Vor dem Druck müssen sie mit kultivierten Patientenzellen angereichert werden, die zur „Entwicklung“ des Organs angeregt werden.
3. Der Bioprinter baut das Modell wie entworfen auf, verarbeitet es durch Standard-Slicer-Software. Bioinks sind für verschiedene Produktionsmethoden formuliert, wie Extrusion, Tintenstrahl- und SLA-Druck. Der abgelagerte Bioink verschmilzt zu einer porösen Struktur, bereit für die Zellreifung.
4. Die gedruckte Struktur wird durch verschiedene Verfahren, passend zu den jeweiligen Bioink-Typen, in eine stabilere, vernetzte Form ausgehärtet.
5. Nach der Vernetzung wird das gedruckte Material in einem Bioreaktor inkubiert. Das gedruckte Gewebe/Organ wird in diesem Prozess als lebendes System behandelt, um seine Entwicklung zu optimieren.

Welche Bedeutung hat 3D-Bioprinting?

Die zunehmende Nutzung von Bioprinting in allen Bereichen der Patientenversorgung, Medikamentenentwicklung und Forschung resultiert aus der Entwicklung eines immer leistungsfähigeren Werkzeugkastens. Dies ist das Frühstadium dessen, was wahrscheinlich die Herstellung vollständiger Ersatzgewebe und -organe werden wird. Die Fähigkeit, neue Organe für chirurgische Implantate maßzuschneidern, steht kurz davor, den gesamten medizinischen Sektor zu revolutionieren. Sie ermöglicht Patiententherapien mit den eigenen Geweben des Patienten, die neue, perfekte und „echte“ Transplantate mit geringer oder keiner Abstoßungsgefahr liefern. Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für ein bioprintetes Organ:

Bildquelle: Shutterstock.com/guteksk7

Was ist der Zweck von 3D-Bioprinting?

Bioprinting ist der Prozess der Bereitstellung inkubationsbereiter, mit Patientenzellen besiedelter Gerüste, die inkubiert und gepflegt werden können, um zu Ersatzorganen zu werden. Es ist ein unersetzlicher, entscheidender Schritt bei der Bereitstellung patientenbereiter, transplantierbarer Gewebe und Organe, die das Immunsystem des Patienten als „eigen“ erkennt.

Welche verschiedenen Arten von 3D-Bioprinting gibt es?

Bioprinting hat sich in drei verschiedenen Strängen entwickelt, jeweils mit eigenen Schwierigkeiten und Vorteilen:

1. Tintenstrahlbasiertes Bioprinting

Tintenstrahlbasiertes Bioprinting verwendet speziell modifizierte Tintenstrahldruckverfahren, um lebende Zellen und Biomaterialien auf einen stereolithografischen 3D-Aufbau zu platzieren und biologische Strukturen – Gewebe und Organe – aufzubauen. Der Druckkopf dosiert Bioink mit Patientenzellen und biologischen Trägermedien und liefert ein „Bild“ jedes Schnitts im 3D-Design, aufgebaut auf der vorherigen Schicht. Diese Bioinks enthalten UV-gehärtete oder wärmegehärtete Elemente, die jede Schicht mit der darunterliegenden integrieren und verbinden. Auf diese Weise werden die Gewebe wie entworfen in eine 3D-Struktur gelegt, die dann zur Reife inkubiert werden kann.

Tintenstrahlbasiertes Bioprinting bietet hohe Auflösung, hohe Geschwindigkeit und eignet sich für das Auftragen mehrerer Zelltypen oder Biomaterialien in einem Druck. Obwohl es noch lange nicht Mainstream ist, ist diese Technologie eine wichtige experimentelle Methode in der Gewebetechnik für regenerative und Implantatmedizin sowie für Medikamententests.

2. Druckunterstütztes Bioprinting

Druckunterstütztes Bioprinting verwendet eine pneumatisch oder hydraulisch getriebene Abgabe feiner Bioink-Tröpfchen auf eine Bauplattform. Dies konstruiert die Gewebe wie entworfen in einem Schicht-für-Schicht-Prozess. Wenn die Bioink-Schicht abgelagert ist, wird sie durch ultraviolette Lichtexposition oder Temperaturänderung ausgehärtet. Dieser Prozess hilft, eine integrale Struktur zu schaffen, die inkubiert werden kann, um die für den Patienten (oder Forschungstests) bereiten Gewebe reifen zu lassen. Dieser Prozess ist in vielerlei Hinsicht einfacher als die Alternativen. Er ermöglicht gemischte Zellplatzierungen für eine nähere Nachahmung realer Gewebe. Die Auflösung ist geringer, da sie auf extrudierten Tröpfchen basiert. In vielen Fällen ist dies ein kleiner Nachteil einer ansonsten leistungsstarken Gewebekonstruktionsmethode.

3. Laserunterstütztes Bioprinting

Laserunterstütztes Bioprinting verwendet einen Laser, um lebende Zellen oder Biomaterialien präzise auf eine Bauplattform zu übertragen und abzulagern. Es erstellt die gewünschten 3D-biologischen Strukturen wie Gewebe und Organe. Der Laserstrahl verdampft Substratmaterial auf einem bioink-beladenen Transferband. Dies führt dazu, dass das Substrat schlagartig verdampft und den Bioink auf den Aufbau ausstößt. Dies legt präzise Bioink-Tröpfchen schichtweise auf die Bauschicht ab, um die gewünschte 3D-Struktur zu erstellen. Dies ist eine enge Simulation des Bubble-Jet-Drucks.

Laserbasiertes Bioprinting bietet verschiedene Vorteile gegenüber anderen 3D-Drucktechniken, einschließlich hochpräziser Kontrolle über die Zellplatzierung, der Fähigkeit, mit hoher Auflösung zu drucken, und der Möglichkeit, eine Reihe von Biomaterialien zu verwenden, einschließlich solcher mit komplexeren Zusammensetzungen. Übermäßige Laserleistung kann zu Zellschäden führen, und die Technik ist schlecht geeignet, um hohe Zelldichten zu liefern.

Welche verschiedenen 3D-Bioprinting-Ansätze gibt es?

Die verschiedenen 3D-Bioprinting-Ansätze sind unten aufgeführt:

1. Biomimikry

Biomimikry nutzt natürliche Gewebeprozesse und -materialien, um strukturelle und funktionale Bioprinting-Probleme zu lösen. Biomimikry kann effektivere Methoden zur Herstellung eng analoger biologischer Gewebe und Organe schaffen. Die Verwendung natürlicher extrazellulärer Matrix (ECM) Materialien zur Erstellung von Gerüsten für die Gewebetechnik ist eine Form der Biomimikry. ECM bietet strukturelle Unterstützung für Zellen. Die Verwendung natürlicher ECM-Materialien wie Kollagen und Hyaluronsäure kann die strukturelle Integrität und Funktionalität gedruckter Gewebeergebnisse verbessern.

Die Verwendung von Bioinks, die nicht-natürliche Materialien enthalten, die die Eigenschaften natürlicher Gewebe nachahmen – wie Steifigkeit, Elastizität und Zelladhäsion – kann helfen, besser funktionierende gedruckte Gewebe zu schaffen. Einige Forscher erforschen 3D-Druckmethoden, die die Art und Weise nachahmen, wie Spinnen Netze spinnen, um komplexere und naturgetreuere Eigenschaften in gedruckten biologischen Strukturen zu erzeugen.

2. Autonome Selbstorganisation

Autonome Selbstorganisation zielt darauf ab, Zellen in die Lage zu versetzen, sich selbst zu organisieren und die erforderlichen Strukturen zu bilden, ohne direkte Manipulation/Platzierung. Dieser Ansatz versucht, die Art und Weise nachzuahmen, wie Zellen sich bei normalem Gewebewachstum natürlich zusammenbauen. Patientenzellen werden mit einem Bioink gemischt, der ein Gelmaterial enthält, das in die erforderliche Form gebracht werden kann. Die Zellen und der Bioink werden dann inkubiert, um die Selbstorganisation zu ermöglichen. Dies bildet Gewebe- oder Organstrukturen, die der Natur näher kommen. Dieser Ansatz unterscheidet sich von traditionellen Bioprinting-Methoden, bei denen Zellen in einem vorgegebenen Muster präzise platziert werden, um eine Struktur zu schaffen.

Autonomes Selbstorganisations-Bioprinting hat große Vorteile gegenüber traditionellem Bioprinting, wenn es wiederholbar und vorhersagbar gemacht werden kann. Zum Beispiel ermöglicht es die Erstellung komplexerer und realistischerer Gewebestrukturen durch Mobilisierung entwicklungsmorphogenetischer Prozesse. Das Entfernen der Notwendigkeit externer Manipulation reduziert die Zellschäden, die eine Barriere im Bioprinting darstellen können.

Forscher entwickeln neue Materialien und Techniken, um den natürlichen und intrinsischen Selbstorganisationsprozess zu lenken, um ein natürlicheres und höher funktionales Ergebnis zu liefern. Dies ist vielleicht der bedeutendste Forschungsbereich im Bioprinting, da er das Potenzial hat, eine weitere Revolution in der Gewebetechnik und regenerativen Medizin herbeizuführen.

3. Mini-Gewebe

Mini-Gewebe (oder Mikrogewebe) sind begrenzte dreidimensionale Zellstrukturen. Diese werden in der Medikamentenentdeckung, Toxizitätstests und Gewebetechnik verwendet – und spezifisch nicht als Patientenimplantate. Sie werden mit den allgemein verwendeten Methoden gedruckt: normale Bioinks, versetzt mit lebenden Zellen. Die Erstellung von Mini-Geweben bietet Vorteile gegenüber traditionellen 2D-Petrischalen-Zellkulturen. Indem sie die Komplexität natürlicher Gewebe näher nachahmen, bieten sie realistischere Ergebnisse für Medikamententests und Toxizitäts-Screening. Forscher erwarten, größere Gewebe und Organe, die potenziell als Implantate bei Patienten verwendet werden können, durch das Drucken kleiner Bausteine zusammenzusetzen.

Welche Schritte umfasst der 3D-Bioprinting-Prozess?

Bioprinting ist ein Prozess, der in allen Belangen Strenge und hohe Kontrolle erfordert. Jeder der unten aufgeführten Schritte ist ein Bereich intensiver Forschung, da alternative Techniken und Materialien ständig entwickelt werden:

1. Pre-Bioprinting

Der Pre-Bioprinting-Prozess besteht aus verschiedenen Schritten, die alle genau richtig sein müssen – Spielräume für Abweichungen und Fehler sind minimal, wenn das Ergebnis eine nützliche Gewebestruktur sein soll. Der erste Schritt ist die Konzeption und Spezifikation der gewünschten Struktur. Dies definiert Form, Größe und allgemeine physikalische Eigenschaften des Gewebes sowie die Arten der verwendeten Zellen und Stütz-/Nährstoffmaterialien. Mit der Umrissdefinition der Struktur werden spezielle CAD-Tools verwendet, um ein hochdetailliertes 3D-Modell der Struktur zu erstellen. Ein geeigneter Bioink wird dann ausgewählt oder erstellt, der den strukturellen, aushärtenden und nährstoffreichen Mix enthält, der für das zu züchtende Gewebe geeignet ist. Zellauswahl und -kultivierung in vitro ist der delikateste Schritt und beinhaltet das Inkubieren und die Förderung der Zellvermehrung in einem Kultivierungsmedium unter streng kontrollierten Bedingungen, um ihre Lebensfähigkeit und Ausreichendkeit zu gewährleisten.

2. Bioprinting

Bioprinting ist der finale Realisierungsschritt, der die Grundlagenarbeit nimmt und die erforderliche Gewebeprobe baut. Sie ist bereit für die Inkubation und die geplanten Verwendungen für Medikamentenbewertung, Toxizitätstests oder Patientenimplantat. Die Gewebeprobe wird entweder durch stereolithografische Methoden oder durch die in den Plan integrierte Selbstorganisation konstruiert.

3. Post-Bioprinting

Nach dem Bioprinting gibt es verschiedene kritische Verarbeitungsschritte, die die Funktion und Lebensfähigkeit des gebauten Gewebes sicherstellen. Zuerst muss das gedruckte Matrixmaterial vernetzt werden, um eine robuste und stabile Struktur zu schaffen. Verschiedene Methoden sind verfügbar, typischerweise UV-Aushärtung, Wärmebehandlung und extern angewendete chemische Agenten. Reifung/Inkubation erlaubt dann den Zellen, sich zu teilen und zu differenzieren. Eng kontrollierte Umweltbedingungen sind dafür erforderlich. Während der Reifung und erneut nach der Reifung wird die Lebensfähigkeit der Zellen bewertet, um sicherzustellen, dass sie ihre beabsichtigten Funktionen ausführen. Nach der Reifung wird das gebaute Gewebe charakterisiert, um seinen physischen, biologischen und biochemischen Charakter zu bestimmen. Dieser Prozess verwendet Techniken wie Histologie oder Immunhistochemie, um das Gewebeverhalten zu beurteilen. Schließlich wird das bioprintete Gewebe getestet, um sicherzustellen, dass es wie erwartet funktioniert. Eine breite Palette möglicher Tests steht zur Verfügung, passend zu bestimmten Gewebetypen.

Welche Anwendungen hat 3D-Bioprinting?

Bioprinting hat eine wachsende Liste von Anwendungen, aber die Hauptfunktionen, die es derzeit erfüllt, sind unten aufgeführt:

1. Bewertung der Arzneimittelwirkung und -nebenwirkungen.
2. Toxikologietests.
3. Patientenimplantate.

Welche Vorteile bietet 3D-Bioprinting?

Bioprinting ist ein leistungsstarker Satz von Techniken, der zunehmend mächtige Fähigkeiten in den meisten Bereichen der Patientenversorgung, Medikamentenentwicklung, Umwelt- und Toxizitätstests ermöglicht. Nachfolgend sind einige seiner Vorteile aufgeführt:

1. Ermöglicht den präzisen Aufbau komplexer Gewebestrukturen.
2. Kann verwendet werden, um 3D-Modelle von Organen für Medikamententests zu erstellen. Dies ermöglicht schnellere und weniger ethisch eingeschränkte Tests von Arzneimittelformulierungen.
3. Reduziert die Notwendigkeit von Tierversuchen.
4. Kann maßgeschneiderte Implantate erstellen, die auf die spezifischen Bedürfnisse eines Patienten zugeschnitten sind.
5. Kann lebende Gewebe und Organe für Transplantationen bauen, obwohl diese Kapazität derzeit auf einfache Strukturen beschränkt ist. Diese werden aus den Zellen des Patienten gebaut, sodass eine Abstoßung als minimal erwiesen ist.

Welche Einschränkungen hat 3D-Bioprinting?

Bioprinting hat schwere Einschränkungen, die Gegenstand umfangreicher Forschung sind, darunter:

1. Kann derzeit keine komplexen Gewebe und Organe mit verschiedenen Zelltypen, Blutgefäßen und Nerven drucken.
2. Bioprinting-Materialien sind teuer und schwer herzustellen.
3. Die Mechanik der Druckprozesse beschädigt oder zerstört oft Zellen. Dies begrenzt die Lebensfähigkeit der gedruckten Gewebe.
4. Immer noch eine teure und intensiv laborbasierte Technologie. Sie verwendet teure Ausrüstung und erfordert außergewöhnliche Fähigkeiten.
5. Es gibt noch keine Standards oder allgemein anerkannte Richtlinien. Die Bewertung von Ergebnissen zwischen Methoden und Forschungsgruppen ist schwierig.

Wie treibt 3D-Bioprinting Innovation in der Medizinbranche voran?

Bioprinting wird zum primären regenerativen Chirurgiewerkzeug für ein breites Spektrum degenerativer Erkrankungen und physiologischer Zustände. Das Drucken eines neuen, funktionsfähigen Herzens zur Ersetzung eines beschädigten ist noch eine ferne Aussicht, aber die frühen Bausteine sind vorhanden. Derzeit verkürzt und verbilligt Bioprinting die Arzneimittelbewertungs- und Zertifizierungszyklen. Es reduziert die Markteintrittsbarrieren für neuartige Pharmazeutika.

Welche Art von 3D-Druck ist Bioprinting?

Bioprinting basiert im Allgemeinen auf stereolithografischen Methoden, die Gewebe schichtweise aus einer 3D-Datei aufbauen. Die nächste Revolution wird dies wahrscheinlich stärker in Richtung Selbstorganisation bewegen, zumindest bei der zellulären Verteilung und Positionierung.

Sind 3D-Druck und 3D-Bioprinting dasselbe?

Nein, 3D-Druck und 3D-Bioprinting sind nicht dasselbe, aber es gibt Überschneidungen. Einige der im Bioprinting verwendeten Werkzeuge sind mit denen im Rapid-Prototyping-Sektor austauschbar. Die Divergenz zwischen den beiden Sektoren ist jedoch klar und wird sich rasant vergrößern. Bioprinting übersteigt schnell die Komplexitätsgrenzen des Rapid-Prototyping-Sektors, da Forscher immer komplexere und höher funktionale Ergebnisse anstreben.

Zusammenfassung

Dieser Artikel stellte 3D-Bioprinting vor, erklärte es und diskutierte seine verschiedenen Typen und Anwendungen. Um mehr über 3D-Druck in anderen Branchen zu erfahren, kontaktieren Sie einen Xometry-Vertreter.

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Dean McClements

Dean McClements ist ein B.Eng Honors Absolvent in Maschinenbau mit über zwei Jahrzehnten Erfahrung in der Fertigungsindustrie. Seine berufliche Laufbahn umfasst bedeutende Rollen bei führenden Unternehmen wie Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace und Hyster-Yale, wo er ein tiefes Verständnis für Ingenieurprozesse und Innovationen entwickelte.

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