Connecting4Good: Wie 3D-Druck die Medizin bereichert

Connecting4Good: Wie 3D-Druck die Medizin bereichert

Bioprinting, also der 3D-Druck organischer Materialien, ist eine der bahnbrechendsten Innovationen für die Zukunft der Medizin. Wir zeigen Dir in #Connecting4Good, woran die Forscher gerade arbeiten.

Gewebeteile, innere Organe und Prothesen aus körpereigenen Materialien herstellen: Was nach ferner Zukunft klingt, ist schon heute möglich. Der Schlüssel liegt in der 3D-Drucker-Technologie, mit der sich prinzipiell jedes Objekt nach einem eingescannten oder vorgerenderten Modell nachbilden lässt. Für viele Patienten könnte dies bald schnelle Hilfe und zuverlässigere Heilung bedeuten, zum Beispiel für Menschen mit Organversagen oder Knochenkrankheiten. Erst im vergangenen Monat ist es israelischen Forschern gelungen, ein erstes Herz aus menschlichem Gewebe auszudrucken. Aber das ist nicht alles, was das Bioprinting der Medizin stiftet.

Komplexe Blutgefäße aus dem 3D-Drucker

Eine der größten Herausforderungen beim Bioprinting liegt darin, komplexe Blutgefäße des menschlichen Körpers nachzuahmen. Millionen feinst verzweigter Kapillarsysteme versorgen unsere Organe und Gewebe jede Sekunde mit Sauerstoff und lebenswichtigen Nährstoffen. Die Schwierigkeit bei einem künstlichen Kapillarsystem ist es, dieses dauerhaft am Leben und funktionsfähig zu halten.

Jetzt ist es einer Kollaboration aus US-Forschern erstmals gelungen, solch ein lebendes vaskuläres Netzwerk mit Hilfe von Bioprinting herzustellen. Erster sichtbarer Beweis für den Fortschritt ist ein aus Hydrogel und lebenden Zellen gedrucktes filigranes Kunstgefäß, welches in der Lage ist, mit Hilfe von Luftdruck Sauerstoff zu transportieren. In einen menschlichen Körper transplantiert, könnten solche Gewebe einmal natürliche Blutgefäße und beschädigte Organteile, beispielsweise in der Lunge, ersetzen.

Künstliche Spender-Organe auf eigener Zellbasis

Solch ein Fortschritt könnte besonders für schwerkranke Menschen, die bisher auf Organspender angewiesen waren, zum Segen werden. Denn selbst wenn jemand das Glück hat, nach einer langen Zeit auf einer Warteliste ein Spenderorgan zu erhalten, kommt dieses immer noch aus einem fremden Organismus. Der Träger muss damit rechnen, sein Leben lang Immunsuppressiva einzunehmen, um zu verhindern, dass sein Organismus das neue Organ abstößt. Beim Bioprinting werden künstliche Organe hingegen auf Basis der eigenen Zellen hergestellt, welche der Körper problemlos annehmen sollte.

Neue Materialien fürs Bioprinting: Knorpel- und Knochentinte

Eine weitere Schwierigkeit beim fortgeschrittenen Bioprinting ist die Herstellung geeigneter Grundmaterialien, auch Biotinten genannt, aus denen die 3D-Drucker dann Organe und Gewebeteile für den menschlichen Körper herstellen. Am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) arbeiten Forscher seit Jahren an diesen Biotinten, die aus Materialien wie Gelatine, Hyaluronsäure und Zellstoffen zusammengesetzt sind. Damit ein 3D-Drucker die Biotinte verarbeitet und das Ergebnis ein funktionaler und stabiler Teil des Körpers wird, muss es spezielle chemische Eigenschaften vorweisen. Die Forscher modifizieren die Moleküle so, dass sie beim Druckprozess die notwendige Viskosität (Zähflüssigkeit oder Zähigkeit von Flüssigkeiten und Gasen) aufweisen und als fertiges Gewebe fest und elastisch sind.

Darüber hinaus ist es denen Forschern jetzt gelungen, ein Biomaterial herzustellen, mit dem sich im Körper sogar Knochengewebe regenerieren lassen soll. Diese Knochentinte besteht aus dem Knochenmineral Hydroxylapatit und speziellen Biomolekülen. Richtig eingesetzt können mit diesem Material einmal beschädigte Knochen und Knochenkrankheiten behandelt werden.

Ein weiteres neuartiges Material ist die sogenannte Vaskularisierungstinte. In diesem weichen Gel können sich dank spezieller Zellen Kapillarstrukturen bilden. Künstliche Gewebestrukturen verbinden sich so leichter mit den körpereigenen Blutgefäßen. Forscher arbeiten derzeit an einer entsprechenden Tinte für Knorpelersatz.

Die Wirbelsäule der Zukunft

Die Wirbelsäule ist der wichtigste Teil unseres Knochengerüstes. Schädigungen können zu unerträglichen Schmerzen und Bewegungsunfähigkeit bis hin zu vollständigen Lähmungen führen. Wenn Wirbel verrutschen oder brechen, sind Operationen erforderlich, die die Chirurgen mit äußerster Präzision durchführen müssen. Schon heute kommen viele Wirbel-Implantate aus dem 3D-Drucker. Diese sind besonders präzise. Besonders Menschen mit außergewöhnlichen und seltenen Wirbelsäulen-Erkrankungen profitieren von den Bioprinting-Implantaten. Diese sind derzeit noch teuer und ihre Produktion dauert lange. Da sie aber so exakt sind, ist die Wahrscheinlichkeit einer zweiten, kostspieligen Folge-OP für Patienten sehr viel geringer als bei handgefertigten Implantaten.

Bisher werden die meisten Implantate aus dem 3D-Drucker noch nach festen Größen hergestellt. In Zukunft sollen diese allerdings immer öfter personalisiert werden, also nach individuellen Scans des Patienten vermessen und angepasst werden. Zudem sollen sie mit fortschreitender Technik kostengünstiger und schneller hergestellt werden.

Für die meisten Experten ist das Bioprinting definitiv die Zukunft der Wirbelsäulen-Implantate, weswegen auch die EU das Projekt „Wirbelsäule der Zukunft“ mit über drei Millionen Euro fördert.

Bist Du fasziniert von 3D-Druck und Bioprinting? Diese technologischen Neuerungen sind echte Zukunftschancen – auch beruflich.

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Titelbild: Jeff Fitlow /Rice University

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