Künstliche Blutgefäße durch Rapid Prototyping
Kunstarterien überbrücken verstopfte Adern und versorgen Transplantate mit Blut. Neue Techniken sollen Engpässe bei kleinlumigem und körperverträglichem Gefäßersatz beseitigen.
Rund 90 000 Bypässe wurden 2010 in Deutschland transplantiert. Gefäßprothesen aus körperverträglichen Kunststoffen ersetzen bisher aber nur groß- und mittelkalibrige Arterien. „Kleinlumiger, verzweigter Gefäßersatz steht derzeit nicht bereit“, sagt Günter Tovar, Ingenieur und Projektleiter am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart.
Das soll sich ändern. Künstliche Kapillargefäße aus elastischen Biomaterialien fertigen die Fraunhofer-Forscher mit dem Tintenstrahldrucker und einer dem Rapid Protoyping entlehnten Technik.
„Die biokompatiblen Kapillaren könnten zudem Gewebe und Organe außerhalb des Körpers mit Nährstoffen versorgen. Sie werden beispielsweise für Transplantationen und Testsysteme für Medikamente benötigt“, erklärt Tovar.
Künstliche Blutgefäße versorgen Gewebe und Organe außerhalb des Körpers
Der 3-D-Tintenstrahldrucker trägt zügig flüssiges Elastomer in Schichten auf. An den Kontaktstellen reagieren die Lagen chemisch miteinander und legen so die Mikrostrukturen an. Dann kommt der Multiphotonenlaser zum Einsatz. Hierdurch vernetzt sich das Material stabil. „Dadurch wird das Polymer fest, bleibt aber so flexibel und elastisch wie natürliche Materialien“, erläutert der IGB-Experte. Selbst feinste Strukturen nach einem dreidimensionalen Bauplan werden möglich.
Anschließend werden die künstlichen Blutgefäße biofunktionalisiert, damit lebende Körperzellen an ihnen andocken können. Dazu integrieren die Forscher biologische Strukturen – Ankerproteine und Heparin zur Verhinderung von Gerinnseln – in die Innenwände.
Spezielle Drucktinten aus Hybridmaterialien, die eine Mischung aus synthetischen und natürlichen Polymeren enthalten, erleichtern den Vorgang. Aufgrund der Biofunktionalisierung können sich Endothelzellen, die im Körper die innerste Wandschicht eines jeden Blutgefäßes bilden, besser anheften.
Künstliche Blutgefäße werden durch Biofunktionalisierung kompatibel
„Die Auskleidung ist wichtig, damit die Bestandteile des Blutes nicht kleben bleiben, sondern weitertransportiert werden“, so Tovar. Nur wenn es gelingt, eine komplette Schicht lebender Zellen anzusiedeln, kann das Gefäß so arbeiten wie sein natürliches Vorbild.
Am Ende könnten künstliche Blutgefäße an einen Kreislauf angebunden werden, um auch Organe mit Nährstoffen zu versorgen, hoffen die Forscher. Einzelne Schritte des vollautomatisierten Verfahrens haben sie bereits erfolgreich getestet. Ende des Jahres soll der komplette Prozess in einer prototypischen Anlage erprobt werden.
Die Entwicklung künstlicher Blutgefäße stößt bislang nicht nur aufgrund verfahrenstechnischer Herausforderungen an Grenzen. Eines der größten Probleme ist die Abstoßungsreaktion des Körpers.
Abstoßungsreaktion des Körpers eines der größten Probleme künstlicher Blutgefäße
Deshalb setzen manche Forscher auf resorbierbare Materialien. Wenn sie sich aufzulösen beginnen, nimmt körpereigenes Material, meist Kollagen und Bindegewebe, den Platz ein. Das Prinzip kommt bereits bei resorbierbarem chirurgischem Nahtmaterial zum Einsatz.
Den Ansatz verfolgte ein vom Bundesforschungsministerium initiiertes Projekt für die Entwicklung eines bioartifiziellen Gefäßersatzes. Beteiligt war die mittelständische Medizintechnikfirma Jotec aus Hechingen in Baden-Württemberg. Sie hat eine Kollagenmatrix mit Poren entwickelt, deren Größe so gesteuert werden kann, dass patienteneigene Zellen in die Matrix eindringen und in Kontakt mit den Endothelzellen der Gefäßinnenwand treten können. Das Kollagen soll allmählich vom Organismus resorbiert und durch körpereigenes Material ersetzt werden.
So weit die Theorie. In der Praxis kam das Vorhaben nur bis zum Tierversuch. „Wir verfolgen das Projekt nicht weiter, es gibt zu viele ungelöste Probleme“, erklärt Marketingleiterin Kerstin Ragnitz.
US-Forscher an den Universitäten Duke, East Carolina und Yale hingegen beschichteten eine röhrenförmige Matrix aus Polyglykolsäure mit menschlichen Muskelzellen und ließen sie mit Wachstumsfaktoren auf dem Gewebe wachsen. Die Kunststoffmatrix löste sich nach und nach auf und hinterließ ein röhrenförmiges Gerüst. Die Zellen, die keine Abwehrreaktion des Immunsystems auslösen können, nahmen die vorgeprägte Spur auf.
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