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Konstruktion „echter“ biologischer Strukturen mit 3D-Bioprinting

INGENIEURWISSENSCHAFTENKonstruktion „echter“ biologischer Strukturen mit 3D-Bioprinting

In einem bedeutenden Fortschritt in der 3D-Biodrucktechnik wurden Zellen und Gewebe so geschaffen, dass sie sich wie in ihrer natürlichen Umgebung verhalten, um „echte“ biologische Strukturen zu konstruieren

3D-Druck ist ein Verfahren, bei dem ein Material zusammengefügt und so unter digitaler Steuerung eines Computers verbunden oder verfestigt wird, um ein dreidimensionales Objekt oder eine dreidimensionale Einheit zu erstellen. Rapid Prototyping und Additive Manufacturing sind die anderen Begriffe, die verwendet werden, um diese Technik der Erstellung komplexer Objekte oder Einheiten durch Schichtung von Material und schrittweisem Aufbau zu beschreiben – oder einfach eine „additive“ Methode. Diese bemerkenswerte Technologie gibt es seit drei Jahrzehnten, nachdem sie 1987 offiziell entdeckt wurde. Das ist das Potenzial der Möglichkeiten von 3D Druck, dass es heute wichtige Innovationen in vielen Bereichen vorantreibt, darunter Maschinenbau, Fertigung und Medizin.

Es stehen verschiedene Arten von additiven Fertigungsverfahren zur Verfügung, die denselben Schritten folgen, um das endgültige Endergebnis zu erzielen. Im ersten entscheidenden Schritt wird das Design mithilfe von CAD-Software (Computer-Aided-Design) am Computer erstellt – ein sogenannter digitaler Bauplan. Diese Software kann vorhersagen, wie sich die endgültige Struktur entwickeln und sich auch verhalten wird, daher ist dieser erste Schritt für ein gutes Ergebnis unerlässlich. Diese CAD-Konstruktion wird dann in ein technisches Format (als .stl-Datei oder Standard-Tessellationssprache bezeichnet) umgewandelt, das der 3D-Drucker benötigt, um Konstruktionsanweisungen interpretieren zu können. Als nächstes muss der 3D-Drucker (ähnlich einem normalen 2D-Drucker zu Hause oder im Büro) für den eigentlichen Druck eingerichtet werden – dies umfasst die Konfiguration der Größe und Ausrichtung, die Wahl für Quer- oder Hochformatdruck, das Auffüllen der Druckerpatronen mit dem richtigen Pulver . Die 3D Drucker startet dann den Druckprozess und baut das Design nach und nach eine mikroskopische Schicht des Materials nach der anderen auf. Diese Schicht hat normalerweise eine Dicke von etwa 0.1 mm, kann jedoch an ein bestimmtes zu druckendes Objekt angepasst werden. Der gesamte Vorgang ist weitgehend automatisiert und es sind keine physischen Eingriffe erforderlich, nur regelmäßige Überprüfungen zur Sicherstellung der korrekten Funktionalität. Die Fertigstellung eines bestimmten Objekts dauert je nach Größe und Komplexität des Designs mehrere Stunden bis Tage. Da es sich um eine „additive“ Methodik handelt, ist sie außerdem wirtschaftlich, umweltfreundlich (ohne Verschwendung) und bietet viel mehr Gestaltungsspielraum.

Das nächste Level: 3D-Biodruck

Biodruck ist eine Erweiterung des traditionellen 3D-Drucks mit den jüngsten Fortschritten, die es ermöglichen, den 3D-Druck auf biologische lebende Materialien anzuwenden. Während der 3D-Tintenstrahldruck bereits zur Entwicklung und Herstellung fortschrittlicher medizinischer Geräte und Werkzeuge verwendet wird, muss ein Schritt weiter entwickelt werden, um biologische Moleküle zu drucken, anzuzeigen und zu verstehen. Der entscheidende Unterschied besteht darin, dass Bioprinting im Gegensatz zum Tintenstrahldruck auf Biotinte basiert, die aus lebenden Zellstrukturen besteht. Beim Bioprinting wird also bei Eingabe eines bestimmten digitalen Modells das spezifische lebende Gewebe gedruckt und Schicht für Zellschicht aufgebaut. Aufgrund der hochkomplexen zellulären Bestandteile des lebenden Körpers schreitet der 3D-Biodruck nur langsam voran und Komplexitäten wie die Wahl von Materialien, Zellen, Faktoren, Geweben stellen zusätzliche verfahrenstechnische Herausforderungen. Diese Komplexität kann durch ein erweitertes Verständnis durch die Integration von Technologien aus interdisziplinären Bereichen wie zB Biologie, Physik und Medizin angegangen werden.

Große Fortschritte im Bioprinting

In einer Studie veröffentlicht Fortgeschrittene Funktionsmaterialienhaben Forscher eine 3D-Biodrucktechnik entwickelt, die Zellen und Moleküle verwendet, die normalerweise in natürlichen Geweben (ihrer natürlichen Umgebung) vorkommen, um Konstrukte oder Designs zu erstellen, die „echten“ biologischen Strukturen ähneln. Diese besondere Biodrucktechnik kombiniert „molekulare Selbstorganisation“ mit „3D-Druck“, um komplexe biomolekulare Strukturen zu erzeugen. Die molekulare Selbstorganisation ist ein Prozess, bei dem Moleküle selbstständig eine definierte Anordnung einnehmen, um eine bestimmte Aufgabe zu erfüllen. Diese Technik integriert die „mikro- und makroskopische Kontrolle von Strukturmerkmalen“, die der „3D-Druck“ bietet, mit der „molekularen und nanoskaligen Kontrolle“, die durch die „molekulare Selbstorganisation“ ermöglicht wird. Es nutzt die Kraft der molekularen Selbstorganisation, um die zu druckenden Zellen zu stimulieren, was sonst beim 3D-Druck eine Einschränkung darstellt, wenn die normale "3D-Druckfarbe" dies nicht zur Verfügung stellt.

Forscher „betteten“ Strukturen in „Biotinte“ ein, die ihrer natürlichen Umgebung im Körper ähnelt, wodurch sich die Strukturen wie im Körper verhalten würden. Diese Bio-Tinte, auch Self-Assembly-Tinte genannt, hilft dabei, chemische und physikalische Eigenschaften während und nach dem Drucken zu kontrollieren oder zu modulieren, wodurch das Zellverhalten entsprechend stimuliert werden kann. Der einzigartige Mechanismus bei Anwendung auf Bioprinting ermöglicht es uns, Beobachtungen darüber anzustellen, wie diese Zellen in ihrer Umgebung funktionieren, und gibt uns so eine Momentaufnahme und ein Verständnis des realen biologischen Szenarios. Es eröffnet die Möglichkeit, biologische 3D-Strukturen zu bauen, indem mehrere Arten von Biomolekülen gedruckt werden, die sich zu wohldefinierten Strukturen in mehreren Maßstäben zusammenfügen können.

Die Zukunft ist sehr hoffnungsvoll!

Die Bioprinting-Forschung wird bereits zur Erzeugung verschiedener Gewebearten eingesetzt und kann daher für das Tissue Engineering und die regenerative Medizin sehr wichtig sein, um den Bedarf an Geweben und Organen zu decken, die für die Transplantation geeignet sind – Haut, Knochen, Transplantate, Herzgewebe usw. Darüber hinaus ist die Technik eröffnet eine breite Palette von Möglichkeiten, biologische Szenarien wie komplexe und spezifische Zellumgebungen zu entwerfen und zu erstellen, um den Erfolg des Tissue Engineering zu ermöglichen, indem tatsächlich Objekte oder Konstrukte -unter digitaler Kontrolle und mit molekularer Präzision - hergestellt werden, die Gewebe im Körper ähneln oder nachahmen. Die Modelle von lebendem Gewebe, Knochen, Blutgefäßen und möglicherweise auch ganzen Organen können für medizinische Verfahren, Schulungen, Tests, Forschungs- und Wirkstoffforschungsinitiativen erstellt werden. Eine sehr spezifische Generation von maßgeschneiderten patientenspezifischen Konstrukten kann bei der Entwicklung genauer, zielgerichteter und personalisierter Behandlungen helfen.

Eines der größten Hindernisse für den Biodruck und den 3D-Tintenstrahldruck im Allgemeinen war die Entwicklung einer fortschrittlichen, ausgeklügelten Software, um die Herausforderung im ersten Schritt des Druckens zu meistern – die Erstellung eines geeigneten Designs oder Blueprints. Zum Beispiel kann der Bauplan von nicht lebenden Objekten leicht erstellt werden, aber wenn es darum geht, digitale Modelle beispielsweise einer Leber oder eines Herzens zu erstellen, ist dies eine Herausforderung und nicht so einfach wie die meisten materiellen Objekte. Bioprinting hat definitiv viele Vorteile – präzise Kontrolle, Wiederholbarkeit und individuelles Design, aber immer noch mit einigen Herausforderungen geplagt – der wichtigste ist die Einbeziehung mehrerer Zelltypen in eine räumliche Struktur, da eine lebendige Umgebung dynamisch und nicht statisch ist. Diese Studie hat zur Weiterentwicklung des 3D-Biodrucks beigetragen und viele Hindernisse können durch Befolgen ihrer Prinzipien beseitigt werden. Es ist klar, dass der wahre Erfolg des Bioprinting mehrere Facetten hat. Der wichtigste Aspekt, der das Bioprinting ermöglichen kann, ist die Entwicklung relevanter und geeigneter Biomaterialien, die Verbesserung der Auflösung des Druckens und auch die Vaskularisierung, um diese Technologie erfolgreich klinisch anwenden zu können. Es scheint unmöglich, durch Bioprinting voll funktionsfähige und lebensfähige Organe für menschliche Transplantationen zu „erschaffen“, aber dennoch schreitet dieses Gebiet schnell voran und viele Entwicklungen stehen jetzt in nur wenigen Jahren an vorderster Front. Die meisten Herausforderungen, die mit dem Biodruck verbunden sind, sollten erreichbar sein, da Forscher und biomedizinische Ingenieure bereits auf dem Weg zum erfolgreichen komplexen Biodruck sind.

Einige Probleme mit Bioprinting

Ein kritischer Punkt auf dem Gebiet des Bioprintings ist, dass es derzeit fast unmöglich ist, die Wirksamkeit und Sicherheit von biologischen „personalisierten“ Behandlungen zu testen, die Patienten mit dieser Technik angeboten werden. Auch die mit solchen Behandlungen verbundenen Kosten sind ein großes Thema, insbesondere wenn es um die Herstellung geht. Es ist zwar sehr gut möglich, funktionelle Organe zu entwickeln, die menschliche Organe ersetzen können, aber selbst dann gibt es derzeit keine narrensichere Möglichkeit zu beurteilen, ob der Körper des Patienten neues Gewebe oder das erzeugte künstliche Organ akzeptiert und ob solche Transplantationen erfolgreich sein werden alle.

Bioprinting ist ein wachsender Markt und wird sich auf die Entwicklung von Geweben und Organen konzentrieren, und vielleicht werden in einigen Jahrzehnten neue Ergebnisse bei 3D-gedruckten menschlichen Organen und Transplantaten zu sehen sein. 3D Bioprinting wird auch in Zukunft die wichtigste und relevanteste medizinische Entwicklung unseres Lebens sein.

***

{Sie können das ursprüngliche Forschungspapier lesen, indem Sie auf den unten angegebenen DOI-Link in der Liste der zitierten Quellen klicken}

Quelle (n)

Hedegaard CL 2018. Hydrodynamisch geführte hierarchische Selbstorganisation von Peptid-Protein-Biotinten. Fortgeschrittene Funktionsmaterialienhttps://doi.org/10.1002/adfm.201703716

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