Noch immer ist die Medizintechnik leider noch ein gutes Stück von der ersehnten Möglichkeit entfernt, Organe für Transplantationen direkt am 3D Drucker zu fertigen. Einem Forscherteam der US-amerikanischen Penn State University ist jetzt jedoch ein wichtiger Schritt zu diesem Ziel gelungen.
Bisherige Versuche des 3D Drucks von Organen, auch als Bioprint bekannt, waren stets daran gescheitert, dass es nicht gelungen war, die sogenannten Hydrogel-Biotinten richtig in den Körper zu integrieren. Dies wiederum hatte jeweils zur Folge, dass sich dicke Gewebe-Strukturen nicht halten konnten.
Selbstorganisierende Nanopartikel
Den Forschern der Penn State University ist nun jedoch gelungen, eine neuartige granulare Hydrogel-Biotinte, auf der Basis selbstorganisierender Nanopartikel, Hydrogel-Mikropartikel oder Mikrogele, zu entwickeln. Auf diesem Wege gelang es ihnen, ein bis dahin unerreichtes Maß an Porosität, Formtreue und Zellintegration zu erreichen.
„Die größte Einschränkung beim 3D-Biodruck mit herkömmlichen Hydrogel-Biotinten ist der Kompromiss zwischen Formtreue und Lebensfähigkeit der Zellen, der durch die Steifigkeit und Porosität des Hydrogels bestimmt wird“, so Sheikhi. „Eine Erhöhung der Steifigkeit des Hydrogels verbessert die Formtreue des Konstrukts, verringert aber auch die Porosität, was die Lebensfähigkeit der Zellen beeinträchtigt.
Von Bulk zu Tissue Engineering
Vorausgegangen war die Verwendung von Mikrogelen für den Aufbau sogenannter Tissue-Engineering-Gerüste.
Bis dahin hatten die meisten Biotinten auf sogenannten Bulk-Hydrogelen basiert. Dabei handelt es sich um Polymer-Netzwerke, welche eine große Menge Wasser aufnehmen können, ihre Struktur dabei jedoch beibehalten. Allerdings enthalten diese Bulk-Hydrogele nanoskaligen Poren, welche sowohl die Zell-Zell- als auch die Zell-Matrix-Interaktionen sowie den Sauerstoff- und Nährstofftransfer einschränken. Erschwerend hinzu kommt, dass diese abgebaut bzw. umgestaltet werden müssen, um die Infiltration und Migration von Zellen zu ermöglichen. Dies wiederum erschwert die Integration von Biotinte und Gewebe oder verhindert diese sogar.
Diese Probleme der Bulk-Hydrogelen umgingen die Penn-State-Forscher durch den besagten neuartigen Hydrogel-Ansatz. Die hierfür entwickelte Biotinte kann körnige Hydrogel-Gerüste 3D-Konstrukte in situ bilden und zugleich die Porosität der geschaffenen Strukturen regulieren. Auf diesem Wege wurde es endlich möglich, die Steifigkeit von Hydrogelen von deren Porosität zu entkoppeln.
Kein „Verklemmen“ mehr
Das Problem des „Verklemmens“ ist damit gelöst, ohne dass andererseits die positiven Eigenschaften der körnigen Hydrogele beeinträchtigt würden. Geplant ist nun, diese Methode im nächsten Schritt auch auf andere granulare Plattformen aus synthetischen, natürlichen oder hybriden polymeren Mikrogelen auszuweiten. Hieraus sollten nun Schlussfolgerungen darüber möglich werden, inwiefern sich nanotechnologisch hergestellte granulare Biotinte für die Gewebezüchtung und -regeneration, letztlich für künstlich hergestellte Organe eignet.
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