Warum Bioprinting kein Biologie-, sondern ein Physikproblem ist
Schwerkraft bremst Bioprinting aus. Ein magnetischer Mischer stabilisiert Bio-Tinten und erhöht die Zellviabilität.
Von verstopften Düsen zu stabilen Geweben: Ein Magnet löst das Kernproblem im 3D-Bioprinting.
Foto: Smarterpix / PongMoji
3D-Bioprinting gilt als Hoffnungsträger der regenerativen Medizin. Forschende drucken dabei lebende Zellen, eingebettet in weiche Hydrogele. Diese „Bio-Tinten“ bilden das Grundgerüst für künstliches Gewebe. Ziel ist es, realistische Krankheitsmodelle zu erzeugen oder eines Tages beschädigtes Gewebe zu ersetzen. Doch die Technik stößt auf ein banales Problem: die Schwerkraft. Ein magnetisch angetriebener Mixer soll helfen.
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Zellen sinken ab, Bio-Tinte verändert sich
Zellen sind dichter als die meisten Hydrogele, in denen sie suspendiert werden. In der Druckspritze sinken sie daher langsam nach unten. Je länger der Druckauftrag dauert, desto stärker wird dieser Effekt.
Große Gewebestrukturen benötigen oft 30 bis 60 Minuten oder länger. In dieser Zeit verändern sich die Eigenschaften der Bio-Tinte messbar. Die Folge sind verstopfte Düsen, inhomogene Zellverteilungen und erhebliche Unterschiede zwischen einzelnen Druckvorgängen.
Ritu Raman, Eugene Bell Career Development Professor für Tissue Engineering und Assistenzprofessorin für Maschinenbau am MIT, beschreibt das Problem so:
„Diese Zellabsetzung, die sich während der langen Druckvorgänge, die zum Drucken großer Gewebe erforderlich sind, noch verschlimmert, führt zu verstopften Düsen, einer ungleichmäßigen Zellverteilung und Unregelmäßigkeiten zwischen den gedruckten Geweben.“
Manuelles Umrühren hilft nur bedingt
Manuelles Umrühren oder passive Mischer helfen nur vor dem Druckstart. Raman stellt klar:
„Bestehende Lösungen, wie das manuelle Umrühren der Bio-Tinten vor dem Einfüllen in den Drucker oder die Verwendung passiver Mischer, können die Gleichmäßigkeit nach Beginn des Druckvorgangs nicht aufrechterhalten.“
Das Problem ist physikalisch. Sedimentation folgt einfachen Gesetzen. Solange keine Gegenkraft wirkt, setzen sich Partikel in einer Suspension ab. Im Bioprinting sind diese Partikel lebende Zellen.
Ein Magnet als aktiver Stabilisator
Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse am 2. Februar in der Fachzeitschrift Device. Die Lösung trägt den Namen „MagMix“. MagMix besteht aus zwei Komponenten. In der Druckspritze sitzt ein kleiner magnetischer Propeller. Außerhalb bewegt ein Motor einen Permanentmagneten entlang der Spritze.
Das externe Magnetfeld versetzt den Propeller im Inneren in Rotation. So wird die Bio-Tinte während des gesamten Druckvorgangs aktiv gemischt. Das System greift nicht in die chemische Zusammensetzung ein. Es verändert nur die Strömung im Inneren der Spritze. Wichtig ist dabei die richtige Drehzahl. Zu starke Scherkräfte können Zellen schädigen.
Ferdows Afghah, Hauptautor der Studie, betont: „Eine präzise Kontrolle der physikalischen und biologischen Eigenschaften der Bio-Tinte ist für die Nachbildung der Struktur und Funktion natürlicher Gewebe unerlässlich.“
Strömungssimulationen halfen
Das Team entwickelte die Geometrie des Mischpropellers zunächst am Computer. Strömungssimulationen halfen, Totzonen zu vermeiden und die Scherbelastung zu minimieren. Anschließend testeten die Forschenden das System experimentell.
Raman fasst die Ergebnisse zusammen: „Bei mehreren Bio-Tinten-Typen verhinderte MagMix das Absetzen von Zellen während eines mehr als 45-minütigen kontinuierlichen Druckvorgangs, wodurch Verstopfungen reduziert und eine hohe Zellviabilität erhalten blieb.“
Entscheidend ist die Anpassbarkeit. „Wichtig ist, dass wir gezeigt haben, dass die Mischgeschwindigkeiten so angepasst werden können, dass eine effektive Homogenisierung für verschiedene Bio-Tinten erreicht wird, während die Zellen nur minimal belastet werden.“
Als Machbarkeitsnachweis druckte das Team Zellen, die sich über mehrere Tage zu Muskelgewebe entwickelten. Das zeigt, dass die mechanische Belastung unterhalb kritischer Schwellen bleibt.
Wie sieht es mit der Reproduzierbarkeit aus?
Bioprinting leidet bislang weniger an spektakulären Fehlschlägen als an mangelnder Reproduzierbarkeit. Wenn zwei Labore mit identischer Bio-Tinte unterschiedliche Ergebnisse erzielen, liegt das oft an physikalischen Randbedingungen.
Raman ordnet das Ziel ein: „Wenn wir Gewebe drucken können, das dem in unserem Körper besser nachempfunden ist, können wir es als Modell verwenden, um mehr über menschliche Krankheiten zu erfahren oder die Sicherheit und Wirksamkeit neuer Therapeutika zu testen.“
Solche Modelle gewinnen an Bedeutung. Regulierungsbehörden wie die US-amerikanische FDA interessieren sich zunehmend für Alternativen zu Tierversuchen. Standardisierte, reproduzierbare Gewebemodelle könnten Entwicklungszeiten verkürzen und Kosten senken.
Langfristig geht es um regenerative Medizin. Raman formuliert es so: „Letztendlich arbeiten wir auf Anwendungen in der regenerativen Medizin hin, wie zum Beispiel den Ersatz von krankem oder verletztem Gewebe in unserem Körper durch 3D-gedrucktes Gewebe, das zur Wiederherstellung einer gesunden Funktion beitragen kann.“
Auch für biohybride Roboter geeignet?
Das Team denkt über medizinische Anwendungen hinaus. Gedrucktes Muskelgewebe könnte künftig biohybride Roboter antreiben. Dabei verbinden sich biologische Aktoren mit mechanischen Strukturen. Auch hier entscheidet die gleichmäßige Zellverteilung über Funktion und Lebensdauer.
Das Grundproblem bleibt jedoch physikalisch. Ohne aktive Durchmischung setzt sich jede Suspension ab. MagMix zeigt, dass eine einfache magnetische Kopplung genügt, um diese Grenze zu verschieben.
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