Biologisches Gewebe kommt bald aus dem 3-D-Drucker

Ein Forscherteam des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB entwickelt und optimiert bereits seit Jahren in Kooperation mit der Universität Stuttgart Biotinten, die sich für die additive Fertigung eignen.

Indem die Forscher die Zusammensetzung des Biomaterials variierten, konnten sie nun ihr Portfolio um Knochen- und Vaskularisierungstinten erweitern. Damit haben sie Grundlagen für die Herstellung knochenartiger Gewebestrukturen mit Anlagen zu Kapillarnetzwerken erarbeitet.

Und so funktioniert das Verfahren: Schicht für Schicht drucken die Wissenschaftler Flüssigkeiten, bestehend aus Biopolymeren wie Gelatine oder Hyaluronsäure, wässrigem Nährmedium und lebenden Zellen, bis ein 3-D-Objekt entstanden ist, dessen Form zuvor programmiert wurde. Diese Biotinten bleiben während des Drucks fließfähig, danach werden sie mit UV-Licht bestrahlt, wobei sie zu Hydrogelen, sprich wasserhaltigen Polymernetzwerken, vernetzen.

Die Biomoleküle lassen sich dabei gezielt chemisch modifizieren, so dass die resultierenden Gele unterschiedliche Festigkeiten und Quellbarkeiten aufweisen. Somit können Eigenschaften von natürlichen Geweben nachgebildet werden – von festem Knorpel bis hin zu weichem Fettgewebe. Das Spektrum an einstellbarer Viskosität ist breit.

"Bei 21 Grad Raumtemperatur ist Gelatine fest wie ein Wackelpudding – so kann sie nicht gedruckt werden. Damit dies nicht passiert und wir sie unabhängig von der Temperatur prozessieren können, maskieren wir die Seitenketten der Biomoleküle, die dafür zuständig sind, dass die Gelatine geliert", erläutert Dr. Achim Weber, Leiter der Gruppe "Partikuläre Systeme und Formulierungen".

Ein weitere Hürde: Damit die Gelatine bei einer Temperatur von etwa 37 Grad nicht fließt, muss sie chemisch vernetzt werden. Um dies zu erreichen, wird sie zweifach funktionalisiert: Alternativ zu den nicht vernetzbaren, maskierenden Acetylgruppen, die ein Gelieren verhindern, baut das Team vernetzbare Gruppen in die Biomoleküle ein – diese Vorgehensweise ist im Bereich des Bioprinting einzigartig. "Wir formulieren Tinten, die verschiedenen Zelltypen und damit auch verschiedenen Gewebestrukturen möglichst optimale Bedingungen bieten", sagt Dr. Kirsten Borchers, verantwortlich für die Bioprinting-Projekte in Stuttgart.

Zusammen mit der Universität Stuttgart ist es unlängst gelungen, zwei unterschiedliche Hydrogel-Umgebungen zu schaffen: Zum einen festere Gele mit mineralischen Anteilen, um Knochenzellen bestmöglich zu versorgen, und zum anderen weichere Gele ohne mineralische Anteile, um Blutgefäßzellen die Möglichkeit zu geben, sich in kapillarähnlichen Strukturen anzuordnen.

Auf Basis ihres verfügbaren Materialbaukastens konnten die Forscher Knochentinte herstellen – die darin verarbeiteten Zellen sollen in die Lage versetzt werden, das Originalgewebe zu regenerieren, also selber Knochengewebe zu bilden. Das Geheimnis der Tinte ist eine spezielle Mischung aus dem pulverförmigen Knochenmineral Hydroxylapatit und aus Biomolekülen.

"Die beste künstliche Umgebung für die Zellen ist die, die den natürlichen Bedingungen im Körper möglichst nahekommt. Die Aufgabe der Gewebematrix übernehmen in unseren gedruckten Geweben daher Biomaterialien, die wir aus Bestandteilen der natürlichen Gewebematrix herstellen", erklärt Borchers.

Die Vaskularisierungstinte bildet weiche Gele, in der sich Kapillarstrukturen etablieren konnten. Hierbei werden Zellen, die Blutgefäße bilden, in die Tinten eingebracht. Die Zellen bewegen sich, wandern aufeinander zu und formen Anlagen von Kapillarnetzwerken aus kleinen röhrenförmigen Gebilden. Würde dieser Knochenersatz implantiert, so würde der Anschluss des biologischen Implantats an das Blutgefäßsystem des Empfängers wesentlich schneller funktionieren als bei Implantaten ohne kapillarähnliche Vorstrukturen. "Ohne Vaskularisierungstinte ist erfolgreicher 3-D-Druck von größeren Gewebestrukturen vermutlich nicht möglich", sagt Weber.

Jüngstes Forschungsprojekt des Stuttgarter Forscherteams ist nun die Entwicklung von Matrices für die Regeneration von Knorpel. "Für alle Körperzellen, die wir aus Gewebe isolieren und im Labor vermehren, müssen wir dazu eine Umgebung schaffen, in der sie ihre spezifischen Funktionen auch über längere Zeit erfüllen können", schildert Lisa Rebers, Bioingenieurin im Team die Arbeit.

Im Stuttgarter Leistungszentrum "Mass Personalization" treibt das Fraunhofer IGB gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA und der Universität Stuttgart seine Forschungsarbeiten voran. In der Querschnittsarbeitsgruppe "Additive4Life" entstehen neue Technologien und druckbare Biomaterialien für das Bioprinting.