Regenerative Medizin 06.05.2019, 07:01 Uhr

3D-Drucker produziert Knochen aus Biotinte

Wissenschaftler haben ein Biomaterial entwickelt, aus dem sie knochenartige Gewebestrukturen schichten können, ein Netzwerk aus feinsten Gefäßen inklusive. Ziel ist es, biologische Implantate herzustellen.

Illustration Kapillaren

Zu solchen Blutgefäßen könnten sich die Zellen in dem gedruckten Biomaterial zusammenfinden.

Foto: Ugreen / Panthermedia.net

Der 3D-Druck ist nicht nur auf dem besten Weg, etliche Herstellungsverfahren in der Industrie zu revolutionieren. Auch Mediziner versprechen sich viel von dieser Technologie. Denn zerstörtes Gewebe müssen sie bislang entweder durch Transplantationen von anderen Körperbereichen ersetzen oder durch künstliche Strukturen, die jedoch in der Regel nicht die gleichen funktionellen Eigenschaften haben. Das könnte sich durch den 3D-Druck ändern. Vorausgesetzt natürlich, es gelingt, eine Biotinte zu entwickeln, die von dem Drucker zur gewünschten Form geschichtet werden kann. Ein Forscherteam vom Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB und der Universität Stuttgart ist diesem Ziel einen Schritt nähergekommen. Die Wissenschaftler haben ein Biomaterial entwickelt, das sich für die additive Fertigung zu eignen scheint.

Von festem Knorpel bis zu weichem Fettgewebe ist alles produzierbar

Die Forscher arbeiten mit Flüssigkeiten, die aus Biopolymeren wie Gelatine oder Hyaluronsäure bestehen. Hinzu kommen ein wässriges Nährmedium und lebende Zellen. Diese sogenannte Biotinte ist fließfähig, wird aber direkt nach dem Druck mit UV-Licht bestrahlt, wodurch aus ihr ein Hydrogel, also ein wasserhaltiges Polymernetzwerk, entsteht. Dabei ist es möglich, die Biomoleküle gezielt chemisch zu verändern, um Gele mit unterschiedlichen Festigkeiten und Quellfähigkeiten herzustellen. Das ist die Voraussetzung, um natürliches Gewebe nachzubilden, das zum Teil sehr unterschiedliche Eigenschaften aufweist – von festem Knorpel bis zu weichem Fettgewebe.

„Bei 21 Grad Raumtemperatur ist Gelatine fest wie ein Wackelpudding – so kann sie nicht gedruckt werden. Damit dies nicht passiert und wir sie unabhängig von der Temperatur prozessieren können, maskieren wir die Seitenketten der Biomoleküle, die dafür zuständig sind, dass die Gelatine geliert“, erklärt Achim Weber, Leiter der Gruppe Partikuläre Systeme und Formulierungen.

 Umgekehrt mussten die Forscher gleichfalls verhindern, dass die Gelatine später bei einer Temperatur von etwa 37 Grad, wie sie im Körper herrscht, nicht fließt. Alternativ zu den nicht vernetzbaren, maskierenden Acetylgruppen, die das Gelieren verhindern, baute das Forscherteam daher vernetzbare Gruppen in die Biomoleküle ein. Nach Aussage der Wissenschaftler sei diese Vorgehensweise im Bereich des Bioprinting einzigartig. Im Ergebnis erhalten sie Biotinten, die gute Bedingungen für verschiedene Zelltypen und damit auch für verschiedene Gewebestrukturen bieten.

Foto des Herstellungsprozesses

Die Druckdüse muss exakt justiert werden.

Foto: Fraunhofer IGB

Bioimplantate könnten sich schneller in den Körper einfügen

Zwei Materialien konnten die Wissenschaftler bereits erfolgreich erzeugen: Sie haben ein festeres Gel mit mineralischen Anteilen hergestellt, das Knochenzellen bestmöglich versorgen soll. Außerdem haben sie ein weicheres Gel produziert, ohne mineralische Anteile. In ihm könnten sich Blutgefäßzellen in kapillarähnlichen Strukturen anordnen. Die hinzugefügten Zellen sollen in die Lage versetzt werden, das Originalgewebe zu regenerieren, also selber Knochengewebe zu bilden. Als Grundlage für die Knochenzellen haben die Wissenschaftler eine Mischung aus dem pulverförmigen Knochenmineral Hydroxylapatit und aus Biomolekülen zusammengestellt. „Die beste künstliche Umgebung für die Zellen ist die, die den natürlichen Bedingungen im Körper möglichst nahekommt. Die Aufgabe der Gewebematrix übernehmen in unseren gedruckten Geweben daher Biomaterialien, die wir aus Bestandteilen der natürlichen Gewebematrix herstellen“, sagt Kirsten Borchers, die für die Bioprinting-Projekte in Stuttgart verantwortlich ist.

In die Tinte für das weiche Gel werden hingegen Zellen eingebracht, die Blutgefäße bilden können. Diese bewegen sich in dem Material, wandern aufeinander zu und setzen sich zu Kapillarnetzwerken aus kleinen, röhrenförmigen Gebilden zusammen. Die Hoffnung der Wissenschaftler: Würde der Knochenersatz aus diesem biologischen Material bei einem Menschen implantiert, könnten diese Vorstrukturen dazu führen, dass der Anschluss des Implantats an das Blutgefäßsystem des Empfängers wesentlich schneller funktioniert.

Ein weiteres Projekt der Stuttgarter Forscher ist bereits in Arbeit. Sie wollen biologisches Material für die Regeneration von Knorpel herstellen – denn Gelenkknorpel ist besonders häufig von Verschleiß betroffen. Gelingt dieses Vorhaben, könnte es dazu beitragen, die Volkskrankheit Arthrose zu behandeln.

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