Bioprinting: Die Zukunft der Medizin kommt aus dem 3D-Drucker
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Eine Drohne lässt Baumsamen fallen um den Wald aufzuforsten

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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