Wissenschaftler aller Disziplinen haben die 3D-Drucktechnik für biologische Strukturen entdeckt und wollen in Zukunft auch Organe drucken – wie real ist diese Zukunftsvision.
Die Anwendung der 3D-Drucktechnik zur Herstellung wenig durchbluteter Gewebe wie Knochen und Knorpel ist heute schon fast Routine. Der Traum ganzer Organe steht und fällt jedoch mit einer funktionstüchtigen Vaskularisierung. Neue Techniken wie die Multiphotonenabsorption oder das Bioprinting könnten uns dem Traum von Organen aus der Retorte jetzt ein kleines Stück näher bringen.
Verbesserte Druckgeschwindigkeit bei Nanopräzision
Bisher hatten herkömmliche 3D-Druckverfahren einen Nachteil – ihre relativ geringe Auflösung. Der Druck kleinster Strukturen, wie in biologischen Geweben und Organen häufig zu finden, war bis jetzt nicht zufriedenstellend realisierbar. Wiener Wissenschaftler wollen das nun ändern und koppeln den 3D-Druck mit neuen Techniken wie der Multiphotonenabsorption. Das Problem der geringen Druckgeschwindigkeit lösten sie kürzlich durch Optimierung der Steuerung der beweglichen Spiegel sowie der Beschleunigungs- und Abbremsphasen während des Drucks.
Jan Torgersen und Peter Gruber forschen an der TU in Wien an der Optimierung des 3D Drucks. Copyright: Torgersen, Gruber
Auf diese Weise gelang Jan Torgensen und Peter Gruber vom Institut für Werkstoffwissenschaften und Werkstofftechnologie der TU Wien ein Geschwindigkeitsrekord. Anstelle von nur 10 mm/s druckt ihr Hochpräzisions-3D-Drucker 1000 mm/s und ist damit um Größenordnungen schneller als alle bisherigen Geräte. Weniger als 100 nm klein sind die Strukturen, die durch Polymerisation an jeder beliebigen Stelle in der Tinte entstehen können. Ermöglicht wird diese Detailtreue durch eine hoch lokalisierte photochemische Reaktion.
Nur im Fokus der Femtosekundenlaserstrahlung absorbiert der Photoinitiator der Tinte simultan zwei Photonen und zerfällt dabei in die für den Start der Kettenreaktion notwendigen reaktiven Spezies die das Material polymerisieren lassen. Bisherige 3D-Drucker können das Material nur an der Oberfläche aushärten und deshalb auch nur schichtweise drucken. Die optimierte Methode wollen die Wiener nun für den Druck komplexer extrazellulärer Matrizes (ECM) nutzen.
Die Tinte – eine echte Herausforderung
Doch bevor sie sich an den Druck wagen können, müssen sich die Forscher der Herausforderung Tinte stellen. Sie muss biokompatibel, frei von Zytotoxizität, nicht immunogen und – je nach Einsatz – entweder nicht degradierbar sein oder eine kontrollierbare Degradationskinetik besitzen. Die Methodik erfordert zudem ein photosensitives Ausgangsmaterial, einen Photoinitiator und, je nach Eigenschaften des Endproduktes, unterschiedlichste biologische Substanzen.
Da die ECM bei Differenzierung, Proliferation und sogar bei der Apoptose eine wichtige Rolle spielt, glauben Torgensen und Gruber, dass sich mit deren detailliertem Nachbau sehr viel physiologischere Gewebe herstellen lassen als bisher.
Science nicht Science Fiction – Blutgefäße aus dem Drucker
Beim Wettlauf um gedruckte Gefäße liegen auch deutsche Forscher gut im Rennen. Im Projekt BioRap stellten sich fünf Fraunhofer Institute der Herausforderung und nutzten die Kombination aus Rapid Prototyping und Multiphotonenabsorption erstmalig für elastische organische Biomaterialien.
