Neue Materialplattform für biologisches Gewebe aus dem 3D-Drucker
Durch das dreidimensionale Bioprinting können lebende Zellen zusammen mit gerüstbildenden Hilfsstoffen zu größeren Gewebestrukturen verdruckt werden. Trotz großer Fortschritte auf dem Gebiet des Bioprintings ist man von der Vision, künstliche Organe zu drucken, noch weit entfernt. Eine neue Materialplattform auf Basis selbstheilender Hydrogele soll die Möglichkeiten des Bioprintings erweitern, um künftig den Eigenschaften natürlichen Gewebes deutlich näher zu kommen.
Worum geht es?
Beim 3D-Bioprinting werden sog. Hydrogele, also Gele mit einem hohen Wassergehalt, mit lebenden Zellen zur sogenannten Biotinte vermischt und schichtweise verdruckt, um eine vorher definierte 3D-Struktur abzubilden. Die so erzeugten Gewebestrukturen werden zunehmend komplexer und funktionaler, sind aber noch weit von ihren natürlichen Vorbildern entfernt. Es bestehen noch große Herausforderungen, beispielsweise um zu vermeiden, dass empfindliche Zellen beim Druckprozess geschädigt werden oder um den Druck möglichst präzise und wiederholbar durchzuführen. Ebenso ist es problematisch, die verdruckten Zellen über den für die Reifung und Ausdifferenzierung erforderlichen Zeitraum mit Nährstoffen zu versorgen und am Leben zu erhalten. Benötigt werden Materialien, die die natürliche Umgebung biologischer Zellen möglichst gut nachbilden und das Zusammenwachsen und die Reifung des Gewebes unterstützen.
Bioinspirierter Lösungsansatz und mögliche Anwendungen
Hydrogele sind in der Natur weitverbreitete Stoffe, die mit Nanostrukturen interagieren, sich dynamisch optimal an ihre Umgebung anpassen und selbst regenerieren können. Nach diesem Vorbild sollen im Projekt HEAL-X Bioink selbstheilende Biotinten auf Hydrogel-Basis erforscht und entwickelt werden, um eine Lücke in der Materialforschung für das 3D-Bioprinting zu schließen, nämlich: gute Druckbarkeit, selbstheilende Eigenschaften und eine körperähnliche Umgebung für Zellen. Ziel ist es, die Zellen vor den hohen Scherkräften zu schützen, die beim Druck durch dünne Nadeln auftreten und gleichzeitig für eine hohe Haftung der Zellen untereinander sorgen. Hierdurch wird das gedruckte Biomaterial dem natürlichen Gewebe sehr viel ähnlicher. Weiterhin soll auch die Freisetzung von natürlich im Körper vorkommenden Botenstoffen durch kleine eingebaute Kapseln ermöglicht werden, um Zellwachstum und -reifung zu fördern.
Die entwickelten Hydrogele dienen als modulare und anpassbare Plattform für das 3D-Bioprinting von Zellen und Wirkstofftestsystemen. Darauf basierende Systeme können zukünftig auch zur Modellierung von Krankheitsbildern und für die in-vivo-Implantation durch direkte Injektion eingesetzt werden. Das Projekt soll so wesentliche Beiträge zur Weiterentwicklung des Bioprintings leisten und damit die Pharma- und Medizintechnikbranche in Deutschland insgesamt stärken.