3D-Bioprinting erklärt:Definition, Geschichte, Mechanismen und Schlüsseltypen

Der 3D-Biodruck stellt eine Gruppe von Technologien im Frühstadium dar. Diese Forschungsbereiche untersuchen die Verwendung biologischer Materialien beim Drucken funktioneller Implantate und Testgeräte, die echtes Gewebe simulieren, stimulieren oder replizieren, entweder für Patientenimplantate oder Forschungsinstrumente. Obwohl sich diese Technologien noch in einem sehr frühen Stadium befinden, versprechen sie einen Paradigmenwechsel bei medizinischen Eingriffen mit dramatischen und weitreichenden Auswirkungen.

In diesem Artikel geht es um Folgendes:Was ist 3D-Bioprinting? , seine Geschichte, seine Funktionsweise und seine Typen.

Was versteht man unter 3D-Bioprinting?

Beim 3D-Biodruck handelt es sich um die Verwendung biologischer und biofunktionaler Materialien in der additiven Fertigung. Um aus diesen biologischen Materialien 3D-Strukturen zu erstellen, werden hochspezialisierte Drucker eingesetzt. Einige Beispiele sind:lebende Zellen, bioaktive Gerüst- oder Gerüstmaterialien und Biomoleküle. Das Verfahren nutzt typische 3D-Druckverfahren, um das biologische Material schichtweise abzuscheiden, wodurch biologische Nachahmungen, Gerüste und Ersatzkonstruktionen für vielfältige medizinische Zwecke entstehen.

Der Zweck dieses 3D-Biodrucks ist die Herstellung hochfunktioneller, komplexer Gewebekonstrukte und schließlich Organe. Diese werden für medizinische Zwecke wie Patientenimplantationen, Medikamententests und Pathologiemodellierung verwendet. Diese Technologie funktioniert derzeit auf einem recht primitiven Niveau. Im Hinblick auf funktionierende Gewebe deuten Forschungsfortschritte jedoch darauf hin, dass es die Gesundheitsversorgung revolutionieren wird, indem es die maßgeschneiderte Herstellung von Organen ermöglicht, die den natürlichen Geweben, die sie nachbilden, funktionell ähnlich (oder besser) sind.

Wann begann der 3D-Biodruck?

Es gibt keinen einzigen Moment, in dem die Technologien und Forschungen, die zum 3D-Biodruck geführt haben, plötzlich in Lösungen für Patienten Einzug gehalten hätten. Allerdings sind mehrere bedeutende Ereignisse von entscheidender Bedeutung für die Definition der Grundlagen dieser Technologie. Gabor Forgacs beobachtete, dass Zellen zu „neuen“ räumlichen Strukturen organisiert werden könnten und dass sie sich verbinden und die Struktur auf unbestimmte Zeit beibehalten würden. Dieses Verständnis war später der Schlüssel zur 3D-Konstruktion biologischer Strukturen, da es lehrte, dass sie dazu gebracht werden können, eine Form beizubehalten.

Um das Jahr 2000 herum wurden biokompatible Materialien in regenerativen Gesundheitslösungen eingesetzt. Dies führte direkt zum Bau räumlicher Gerüste, die an der Wake Forest University entwickelt wurden. Gerüste wurden mit kultivierten Patientenzellen besiedelt und ohne Abstoßungs- oder Immunsuppressionsmedikamente implantiert. Diese erwiesen sich als langzeitstabil. Im Jahr 2002 wurde die Bioextrusionstechnologie von Landers vorgestellt und als „3D-Bioplotter“ kommerzialisiert. Wilson und Boland nutzten 2003 einen modifizierten HP-Tintenstrahldrucker als Bioprinter und entwickelten dann 2004 das zellbeladene Bioprinting mit einem kommerziellen SLA-Drucker zum Aufbau von Gerüsten.

Wie funktioniert 3D-Bioprinting?

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

1. Erstellen Sie ein 3D-Design der Gewebe oder Organe, die gedruckt werden sollen. Tools wie BioPrint Pro von Allevi 3D entwickeln sich schnell.
2. Wählen Sie die ideale Bio-Tinte aus. Das beim 3D-Druck verwendete Material enthält Materialien wie Proteine ​​und Wachstumsfaktoren in biokompatiblen, fotohärtenden Harzen. Hierbei handelt es sich um handelsübliche Materialien, die zum Drucken ungeeigneter SLA-Bioprinter-Geräte bereit sind. Vor dem Drucken müssen sie mit kultivierten Patientenzellen infundiert werden, die zum „Wachstum“ des Organs angeregt werden.
3. Der Bioprinter erstellt das Modell wie geplant und verarbeitet es mit der Standard-Slicer-Software. Biotinten werden für verschiedene Produktionsmethoden wie Extrusion, Tintenstrahl und SLA-Druck formuliert. Die abgelagerte Biotinte verschmilzt und bildet eine poröse Struktur, die für die Zellreifung bereit ist.
4. Die gedruckte Struktur wird durch verschiedene Prozesse, die für bestimmte Biotintentypen geeignet sind, zu einer stabileren, vernetzten Form ausgehärtet.
5. Nach der Vernetzung wird das gedruckte Material in einem Bioreaktor inkubiert. Das gedruckte Gewebe/Organ wird in diesem Prozess wie ein Lebewesen behandelt, um seine Entwicklung zu optimieren.

Weitere Informationen finden Sie in unserem Leitfaden zur Funktionsweise von 3D-Druckern.

Welche Bedeutung hat 3D-Bioprinting?

Der zunehmende Einsatz von Bioprinting in allen Bereichen der Patientenversorgung, Arzneimittelentwicklung und Forschung ist das Ergebnis der Entwicklung eines immer leistungsfähigeren Werkzeugkastens. Dies ist das frühe Stadium dessen, was voraussichtlich zur Herstellung vollständiger Ersatzgewebe und -organe führen wird. Die Möglichkeit, neue Organe für chirurgische Implantate maßgeschneidert zu bauen, steht kurz davor, den gesamten medizinischen Sektor zu revolutionieren. Es ermöglicht Patientenbehandlungen, bei denen das Gewebe des Patienten zur Abgabe neuer, perfekter und „echter“ Transplantate mit geringem oder keinem Abstoßungsrisiko angeregt wird. Abbildung 1 ist ein Beispiel für ein biogedrucktes Organ:

3D-biogedrucktes Organ.

Bildnachweis:Shutterstock.com/guteksk7

Was ist der Zweck des 3D-Biodrucks?

Beim Bioprinting handelt es sich um den Prozess der Bereitstellung inkubationsbereiter, mit Patientenzellen besiedelter Gerüste, die inkubiert und gepflegt werden können, um zu Ersatzorganen zu werden. Dies ist ein unersetzlicher, wichtiger Schritt bei der Bereitstellung gebrauchsfertiger transplantierbarer Gewebe und Organe, die das Immunsystem des Patienten als „selbst“ erkennt. 

Welche verschiedenen Arten des 3D-Biodrucks gibt es?

Bioprinting hat sich in drei verschiedenen Bereichen entwickelt, von denen jeder seine Schwierigkeiten und Vorteile hat:

1. Inkjet-basierter Bioprinting

Beim Inkjet-basierten Bioprinting werden speziell modifizierte Inkjet-Druckverfahren verwendet, um lebende Zellen und Biomaterialien auf einem stereolithografischen 3D-Konstrukt zu platzieren und so biologische Strukturen – Gewebe und Organe – aufzubauen. Der Druckkopf gibt Biotinte aus, die Patientenzellen und biologische Trägermedien enthält, und liefert ein „Bild“ jeder Schicht im 3D-Design, das auf der vorherigen Schicht aufgebaut ist. Diese Biotinten enthalten UV-gehärtete oder wärmegehärtete Elemente, die jede Schicht mit der darunter liegenden Schicht verbinden und verbinden. Auf diese Weise werden die entworfenen Gewebe zu einer 3D-Struktur angeordnet, die dann bis zur Reife inkubiert werden kann.

Biodruck auf Tintenstrahlbasis bietet eine hohe Auflösung, hohe Geschwindigkeit und eignet sich zum Auftragen mehrerer Zelltypen oder Biomaterialien in einem Druck. Auch wenn diese Technologie noch weit vom Mainstream entfernt ist, ist sie eine wichtige experimentelle Methode im Tissue Engineering für die regenerative Medizin und Implantatmedizin sowie in der Arzneimitteltests.

2. Druckunterstütztes Bioprinting

Beim druckunterstützten Biodruck werden feine Biotintentröpfchen pneumatisch oder hydraulisch auf eine Bauplattform abgegeben. Dadurch werden die Gewebe wie vorgesehen in einem Schicht-für-Schicht-Prozess aufgebaut. Wenn die Biotintenschicht aufgetragen wird, wird sie durch Einwirkung von ultraviolettem Licht oder Temperaturänderung ausgehärtet. Dieser Prozess trägt dazu bei, eine integrale Struktur zu schaffen, die inkubiert werden kann, um das Gewebe des Patienten (oder des Forschungstests) zu reifen. Dieser Prozess ist in vielerlei Hinsicht einfacher als die Alternativen. Es ermöglicht eine gemischte Zellplatzierung für eine genauere Nachahmung echter Gewebe. Die Auflösung ist geringer, da sie auf extrudierten Tröpfchen basiert. In vielen Fällen ist dies ein kleiner Nachteil gegenüber einer ansonsten leistungsstarken Gewebekonstruktionsmethode.

3. Laserunterstütztes Bioprinting

Beim lasergestützten Bioprinting wird ein Laser verwendet, um lebende Zellen oder Biomaterialien auf eine Bauplattform zu übertragen und präzise abzulagern. Es erzeugt die gewünschten biologischen 3D-Strukturen wie Gewebe und Organe. Der Laserstrahl verdampft Substratmaterial auf einem mit Biotinte beladenen Transferband. Dies führt dazu, dass das Substrat schnell verdampft und die Biotinte auf den Baukörper ausstößt. Dadurch werden präzise Tröpfchen Biotinte Schicht für Schicht auf den Aufbau aufgetragen, um die gewünschte 3D-Struktur zu erzeugen. Dies ist eine genaue Simulation des Blasenstrahldrucks.

Laserbasierter Biodruck bietet gegenüber anderen 3D-Drucktechniken zahlreiche Vorteile, darunter eine hochpräzise Kontrolle der Zellplatzierung, die Möglichkeit, mit hoher Auflösung zu drucken und die Möglichkeit, eine Reihe von Biomaterialien, einschließlich solcher mit komplexeren Zusammensetzungen, zu verwenden. Übermäßige Laserleistung kann zu Zellschäden führen und die Technik ist für die Erzielung hoher Zelldichten schlecht geeignet.

Was sind die verschiedenen 3D-Bioprinting-Ansätze?

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

1. Biomimikry

Biomimikry nutzt natürliche Gewebeprozesse und -materialien, um strukturelle und funktionelle Bioprinting-Probleme zu lösen. Biomimikry kann effektivere Methoden zur Herstellung nahezu analoger biologischer Gewebe und Organe schaffen. Die Verwendung natürlicher extrazellulärer Matrixmaterialien (ECM) zur Herstellung von Gerüsten für das Tissue Engineering 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 Biotinten, die nicht-natürliche Materialien enthalten, die die Eigenschaften natürlicher Gewebe nachahmen, wie z. B. Steifheit, Elastizität und Zelladhäsion, kann dazu beitragen, besser funktionierende bedruckte Gewebe zu schaffen. Einige Forscher erforschen 3D-Druckmethoden, die die Art und Weise nachahmen, wie Spinnen Netze spinnen, um komplexe und naturtypischere Eigenschaften in gedruckten biologischen Strukturen zu erzeugen.

2. Autonome Selbstorganisation

Ziel der autonomen Selbstorganisation ist es, Zellen in die Lage zu versetzen, sich selbst zu organisieren und die erforderlichen Strukturen zu bilden, ohne dass eine direkte Manipulation/Platzierung erforderlich ist. Dieser Ansatz zielt darauf ab, die Art und Weise, wie sich Zellen auf natürliche Weise beim normalen Gewebewachstum zusammensetzen, nachzuahmen. Patientenzellen werden mit einer Biotinte vermischt, die ein Gelmaterial enthält, das in die gewünschte Form gebracht werden kann. Anschließend werden die Zellen und die Biotinte inkubiert, um die Selbstorganisation zu ermöglichen. Dadurch bilden sich Gewebe- oder Organstrukturen, die der Natur näher kommen. Dieser Ansatz unterscheidet sich von herkömmlichen Bioprinting-Methoden, bei denen Zellen präzise in einem vorgegebenen Muster platziert werden, um eine Struktur zu erzeugen.

Autonomes Selbstorganisations-Bioprinting hat große Vorteile gegenüber herkömmlichem Bioprinting, wenn es wiederholbar und vorhersehbar durchgeführt werden kann. Beispielsweise ermöglicht es die Schaffung komplexerer und realistischerer Gewebestrukturen durch die Mobilisierung entwicklungsmorphogenetischer Prozesse. Durch den Wegfall der Notwendigkeit externer Manipulation wird der Zellschaden reduziert, der beim Bioprinting ein Hindernis darstellen kann.

Forscher entwickeln neue Materialien und Techniken, um den natürlichen und intrinsischen Selbstorganisationsprozess zu steuern und ein natürlicheres und besser funktionierendes Ergebnis zu erzielen. Dies ist vielleicht der bedeutendste Forschungsbereich im Bereich Bioprinting, da er das Potenzial hat, eine weitere Revolution im Tissue Engineering und in der regenerativen Medizin herbeizuführen.

3. Mini-Taschentuch

Minigewebe (oder Mikrogewebe) sind begrenzte dreidimensionale Zellstrukturen. Diese werden in der Arzneimittelforschung, bei Toxizitätstests und im Tissue Engineering eingesetzt – und insbesondere nicht als Patientenimplantate. Sie werden mit den allgemein verwendeten Methoden gedruckt:normale Biotinten, versetzt mit lebenden Zellen. Die Herstellung von Mini-Geweben bietet Vorteile gegenüber herkömmlichen 2D-Petrischalen-Zellkulturen, die sonst verwendet werden. Indem sie die Komplexität natürlicher Gewebe besser nachahmen, bieten sie realistischere Ergebnisse für Arzneimitteltests und Toxizitätstests. Forscher gehen davon aus, durch das Drucken kleiner Bausteine größere Gewebe und Organe zusammenzusetzen, die möglicherweise als Implantate bei Patienten verwendet werden können.

Was sind die Schritte des 3D-Bioprinting-Prozesses?

Bioprinting ist ein Prozess, der in jeder Hinsicht Genauigkeit und ein hohes Maß an Kontrolle erfordert. Jeder Schritt unten ist ein Bereich intensiver Forschung, da ständig alternative Techniken und Materialien entwickelt werden:

1. Vor-Bioprinting

Der Pre-Bioprinting-Prozess besteht aus verschiedenen Schritten, die alle genau richtig sein müssen – Abweichungen und Fehler sind minimal, wenn das Ergebnis eine brauchbare Gewebestruktur sein soll. Der erste Schritt besteht darin, die gewünschte Struktur zu konzipieren und zu spezifizieren. Dadurch werden Form, Größe und allgemeine physikalische Eigenschaften des Gewebes sowie die Zelltypen und Träger-/Nährstoffmaterialien definiert, die verwendet werden. Nachdem der Umriss der Struktur definiert wurde, werden spezielle CAD-Tools verwendet, um ein hochdetailliertes 3D-Modell der Struktur zu erstellen. Anschließend wird eine geeignete Biotinte ausgewählt oder erstellt, die die Struktur-, Härtungs- und Nährstoffmischung enthält, die für das zu züchtende Gewebe geeignet ist. Die Auswahl und Kultivierung von Zellen in vitro ist der heikelste Schritt. Dazu gehört die Inkubation und Förderung der Vermehrung von Zellen in einem Kulturmedium unter streng kontrollierten Bedingungen, um ihre Lebensfähigkeit und Genügsamkeit sicherzustellen.

2. Bioprinting

Bioprinting ist der letzte Realisierungsschritt, der die grundlegende Arbeit übernimmt und die erforderliche Gewebeprobe aufbaut. Es ist bereit für die Inkubation und den geplanten Einsatz zur Arzneimittelbewertung, Toxizitätsprüfung oder Patientenimplantation. Die Gewebeprobe wird entweder durch stereolithographische Methoden oder durch die im Plan vorgesehene Selbstorganisation konstruiert.

3. Post-Bioprinting

Nach dem Bioprinting gibt es verschiedene kritische Verarbeitungsschritte, die die Funktion und Lebensfähigkeit des aufgebauten Gewebes sicherstellen. Zunächst muss das gedruckte Matrixmaterial vernetzt werden, um eine robuste und stabile Struktur zu schaffen. Es stehen verschiedene Methoden zur Verfügung, typischerweise UV-Härtung, Wärmebehandlung und äußerlich angewendete chemische Mittel. Durch die Reifung/Inkubation können sich die Zellen dann teilen und differenzieren. Dafür sind streng kontrollierte Umgebungsbedingungen erforderlich. Während der Reifung und auch nach der Reifung wird die Lebensfähigkeit der Zellen beurteilt, um sicherzustellen, dass sie ihre beabsichtigten Funktionen erfüllen. Nach der Reifung wird das aufgebaute Gewebe charakterisiert, um seinen physikalischen, biologischen und biochemischen Charakter zu bestimmen. Bei diesem Verfahren kommen Techniken wie Histologie oder Immunhistochemie zur Beurteilung des Gewebeverhaltens zum Einsatz. Abschließend wird das biogedruckte Gewebe getestet, um sicherzustellen, dass es wie erwartet funktioniert. Es steht eine breite Palette möglicher Tests zur Verfügung, die für bestimmte Gewebetypen geeignet sind.

Was sind die Anwendungen des 3D-Biodrucks?

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

1. Arzneimittelleistung und Bewertung von Nebenwirkungen.
2. Toxikologische Tests.
3. Patientenimplantat.

Was sind die Vorteile des 3D-Biodrucks?

Beim Bioprinting handelt es sich um eine Reihe leistungsstarker Techniken, die in den meisten Bereichen der Patientenversorgung, der Arzneimittelentwicklung, der Umwelt und der Toxizitätstests immer leistungsfähigere Funktionen ermöglichen. Nachfolgend sind einige seiner Vorteile aufgeführt:

1. Ermöglicht den präzisen Aufbau komplexer Gewebestrukturen.
2. Kann zur Erstellung von 3D-Modellen von Organen für Drogentests verwendet werden. Dies ermöglicht eine schnellere und weniger ethisch eingeschränkte Prüfung von Arzneimittelformulierungen.
3. Reduziert die Notwendigkeit von Tierversuchen.
4. Kann individuelle Implantate erstellen, die auf die Bedürfnisse eines bestimmten Patienten zugeschnitten sind.
5. Kann lebende Gewebe und Organe für Transplantationen aufbauen, diese Fähigkeit ist jedoch bisher auf einfache Strukturen beschränkt. Diese werden aus den Zellen des Patienten aufgebaut, sodass die Abstoßung nachweislich minimal ist.

Was sind die Einschränkungen des 3D-Biodrucks?

Bioprinting weist schwerwiegende Einschränkungen auf, die Gegenstand umfangreicher Forschung sind, darunter:

1. Komplexe Gewebe und Organe mit verschiedenen Zelltypen, Blutgefäßen und Nerven können derzeit nicht gedruckt werden.
2. Bioprinting-Materialien sind teuer und schwierig herzustellen.
3. Die Mechanik der Druckprozesse beschädigt oder zerstört häufig Zellen. Dies schränkt die Lebensfähigkeit der bedruckten Gewebe ein.
4. Immer noch eine teure und intensiv laborbasierte Technologie. Es verwendet teure Ausrüstung und erfordert außergewöhnliche Fähigkeiten.
5. Bisher gibt es keine Standards oder allgemein akzeptierten Richtlinien. Die Bewertung der Ergebnisse zwischen Methoden und Forschungsgruppen ist eine Herausforderung.

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

Bioprinting wird das wichtigste Instrument der regenerativen Chirurgie für ein breites Spektrum degenerativer Erkrankungen und physiologischer Zustände werden. Der Druck eines neuen, funktionsfähigen Herzens als Ersatz für das beschädigte Herz eines Patienten liegt noch in weiter Ferne, aber die ersten Bausteine ​​sind vorhanden. Derzeit verkürzt und senkt Bioprinting die Kosten für Arzneimittelbewertungs- und Zertifizierungszyklen. Es verringert die Markteintrittsbarrieren für neuartige Arzneimittel.

Welche Art von 3D-Druck ist Bioprinting?

Bioprinting basiert im Allgemeinen auf stereolithografischen Methoden, bei denen Gewebe Schicht für Schicht aus einer 3D-Datei aufgebaut wird. Die nächste Revolution wird dies wahrscheinlich mehr in Richtung Selbstorganisation bringen, zumindest was die zelluläre Verteilung und Positionierung betrifft.

Weitere Informationen finden Sie in unserem vollständigen Leitfaden zu den 8 Arten von 3D-Druckverfahren.

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

Nein, 3D-Druck und 3D-Bioprinting sind nicht dasselbe, aber es gibt einige Gemeinsamkeiten. Einige der im Bioprinting verwendeten Werkzeuge sind mit denen im Rapid-Prototyping-Bereich austauschbar. Die Divergenz zwischen den beiden Sektoren ist jedoch deutlich und wird voraussichtlich rasch zunehmen. Bioprinting überschreitet schnell die Komplexitätsgrenzen des Rapid-Prototyping-Sektors, da Forscher danach streben, immer komplexere und besser funktionierende Ergebnisse zu erzielen.

Zusammenfassung

In diesem Artikel wurde der 3D-Bioprinting vorgestellt, erklärt und seine verschiedenen Arten und Anwendungen erörtert. Um mehr über den 3D-Druck in anderen Branchen zu erfahren, wenden Sie sich an einen Xometry-Vertreter.

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Dean McClements

Dean McClements hat einen Bachelor-Abschluss in Maschinenbau mit Auszeichnung und über zwei Jahrzehnte Erfahrung in der Fertigungsindustrie. Sein beruflicher Werdegang umfasst wichtige Positionen bei führenden Unternehmen wie Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace und Hyster-Yale, wo er ein tiefes Verständnis für technische Prozesse und Innovationen entwickelte.

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