Additive Fertigung 3D-Biodruck mit körpereigenen Knorpelzellen

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MISSION ADDITIVE

Knorpelschäden im Knie oder anderen Gelenken können im Alter zu Arthrose führen, für die es aktuell keine wirksame Therapie gibt. Personalisierte Knorpelzellimplantate aus dem 3D-Drucker sollen künftig Abhilfe schaffen, wie das Projekt von BTU und Fraunhofer IAP zeigt.

Knorpelschäden durch falsche Belastung bei sportlichen Aktivitäten wurden bisher durch eine Transplantation von körpereigenen Knorpelzellen behandelt. Hierbei werden gesunde Knorpelzellen aus einem weniger beanspruchten Bereich des betroffenen Gelenks entnommen, im Labor vermehrt und anschließend in den geschädigten Bereich des Knorpels transplantiert. Obwohl diese Technik dazu beiträgt, Schmerzen zu lindern, die Gelenkfunktion zu verbessern und das Fortschreiten von Knorpelschäden zu verlangsamen, ist sie nicht in allen Fällen anwendbar. Insbesondere für größere Knorpeldefekte wird nach Alternativen gesucht.

Der 3D-Biodruck, auch Bioprinting genannt, kann hier enorme Potenziale eröffnen. Hierbei wird biologisches Gewebe in einem dreidimensionalen Format hergestellt. Wie bei herkömmlichen Verfahren der additiven Fertigung werden beim 3D-Biodruck Schichten von Materialien zu einer bestimmten Struktur aufgebaut. Allerdings werden als Drucktinten Biomaterialien verwendet, in die sogar lebende Zellen eingebettet sein können.

Biotinten für den 3D-Biodruck

Im Projekt Biopol-3D entwickeln Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP und der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg (BTU) Tinten für den 3D-Biodruck, die bereits die Knorpelzellen der Patienten enthalten. „Die Zellen sind dabei in ein Hydrogel eingebettet. Diese Biotinten können während oder nach dem Druck vernetzt oder stabilisiert werden, um die gewünschte Form und Struktur zu erzeugen“, erklärt Professor Ruben R. Rosencrantz, Leiter des Forschungsbereichs „Life Science und Bioprozesse“ am Fraunhofer IAP und Inhaber des Lehrstuhls „Biofunktionelle Polymermaterialien“ an der BTU.

Knorpelzellen werden direkt in Form additiv gefertigt

Als Hydrogelmatrix setzen die Forschenden u. a. auf Glykopolymere. Diese werden eigens synthetisiert und können die natürliche Umgebung von Knorpelzellen im Körper nachbilden. Bislang kamen Glykopolymere jedoch nicht als Konstruktionsmaterial zum Einsatz. Im Projekt untersucht das Team, wie gut sich die Glykopolymere bezüglich ihrer Material- und Verarbeitungseigenschaften für den 3D-Biodruck eignen, und optimieren sie dafür. „Unser Ansatz, die Knorpelzellen zu verdrucken, geht über herkömmliche Verfahren hinaus, denn wir bringen die biologische Komponente – also die Knorpelzellen – direkt in Form. Es wird also nicht erst ein Gerüst gedruckt, auf dem später Zellen angesiedelt werden“, ergänzt BTU-Kollegin Professorin Ursula Anderer, die die Arbeitsgruppe „Zellbiologie und Tissue Engineering“ leitet.

Um druckfähige Tinten zu entwickeln, müssen die Forschenden eine Vielzahl an Parametern berücksichtigen:

• die empfindlichen Knorpelzellen müssen vital bleiben

• die Tinten müssen biokompatibel und kontrolliert bioabbaubar sein

• die gewünschte Knorpelform muss eine hohe Stabilität und Festigkeit aufweisen

„Unser Ziel ist es, eine fortschrittliche 3D-Zellkultur für die Therapie von Knorpelschäden zu etablieren und gleichzeitig die Herstellung solcher Formkörper durch additive Fertigung zu revolutionieren“, sagt Anderer.

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Dieser Artikel ist zuerst erschienen auf unserem Schwesterportal www.konstruktionspraxis.vogel.de.

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