3D-Bioprinting

Leben aus der Düse

7. Februar 2022, 14:30 Uhr | Melanie Ehrhardt
Menschliches Gewebe aus dem 3D-Drucker (Symbolbild)
© AdobeStock/iaremenko

Klassifizierung der 3D-Bioprinting-Verfahren

Im Vergleich zu den bereits bekannten Verfahren des 3D-Drucks mit Keramiken, Kunststoffen oder Metall stellt das 3D-Bioprinting einen vollkommen neuen Ansatz dar. Auch wenn grundsätzlich die gleichen Verfahren angewendet werden, so unterscheidet sich der Biodruck vor allem dahingehend, dass dabei verschiedene Hydrogele als Trägersubstanz für menschliche Zellen verwendet werden. 

Die vielversprechendsten Technologien im Bioprinting stellen der Selbstzusammenbau und die Selbstorganisationsfähigkeit von Zellen dar. Sie werden durch die Anwendung von Techniken erzielt, die sich nach ihren Arbeitsprinzipien in drei Hauptgruppen einteilen lassen: 

  • Extrusionsbasiertes Bioprinting
  • Tröpfchen-basiertes Bioprinting
  • Laserbasiertes Bioprinting

Wobei sich das laserbasierte Bioprinting nochmals in zwei Techniken unterscheiden lässt: die Stereolithographie und das laserunterstützte Bioprinting.

Die Niere aus dem 3D-Drucker | BR24

Extrusionsbasiertes Bioprinting

Das auf Extrusion basierende Verfahren ist die häufigste und wahrscheinlich einfachste 3D-Bioprinting-Technik. Die Technologie wurde bereits in den 1980er Jahren von dem Erfinder und Stratsys-Mitgründer S. Scott Crump entwickelt und beruht auf dem Prinzip, die Biomaterialien durch eine Düse schichtweise direkt auf die Bauplattform zu extrudieren. Die »Biotinte« wird dabei durch pneumatischen Druck oder mechanische Kraft (durch Kolben- beziehungsweise Schraubmechanismen) gepresst. 

Zu den Vorteilen zählen zum einen die Fähigkeit, mit hohen Zelldichten zu drucken, und zum anderen, hochviskose Materialien zu verarbeiten. Allerdings liegt die Auflösung (200 µm) deutlich unter denen der anderen Verfahren.  Die hohen Temperaturen während der Extrusion können zudem negative Auswirkungen auf die Kristallinität, die Gerüstporosität und die Aktivität von Biomolekülen haben. 

Das extrusionsbasierte Bioprinting ist bei den meisten biokompatiblen Polymeren wie Polylactid-co-Glycolid (PLGA) und Polycaprolacton (PCL) anwendbar. Allerdings eignet es sich nur für einfache Formen und nicht miteinander verbundene, poröse Strukturen. Damit ist die Anwendung auf gerade rohrförmige Gerüste, zum Beispiel zur Regeneration peripherer Nerven, begrenzt.

Tröpfchen-basiertes Bioprinting

Klassifizierung von Bioprinting-Techniken
Klassifizierung von Bioprinting-Techniken
© [1]

Beim Tröpfchen-basierten Bioprinting hat sich vor allem der Injektdruck durchgesetzt, der bereits in den 1950er Jahren von Epson, Hewlett-Packard und Canon eingeführt wurde. Das erste Patent für einen modifizierten Tintenstrahldruck von lebensfähigen Zellen wurde 2003 ausgestellt.

Wie der Name es bereits vermuten lässt, werden die Zellen und Biomaterialen mithilfe von Tröpfchen zu einer gewünschten Struktur angeordnet. Der Antrieb der Düse erfolgt meist piezoelektrisch oder thermisch. 

Da kommerzielle Tintenstrahldrucker leicht zugänglich sind, handelt es sich um eine kostengünstige Bioprinting-Methode. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Risiko von Kontaminationen – da kontaktlos gedruckt wird – verringert wird. Dennoch kann die Verwendung von Lösungen mit niedriger Konzentration ein begrenzender Faktor sein. Hinzu kommt, dass sich die Tröpfchen nicht präzise steuern lassen, jedoch ist die Verwendung einer Vielzahl biologischer Materialien möglich. Dadurch eignet sich das Verfahren auch für die Herstellung von Zell-Zell-Schnittstellen. Die Auflösung der Technik liegt zwischen 50 und 300 µm. 

Laserbasiertes Bioprinting

Vor- und Nachteile der verschiedenen Techniken zum Zweck des Bioprintings
Vor- und Nachteile der verschiedenen Techniken zum Zweck des Bioprintings
© [2]

Das laserbasierte Bioprinting nutzt die Energie der Laserquelle, um Zellen selektiv auf ein Substrat zu drucken und präzise zu strukturieren. Die hohe Auflösung und Reproduzierbarkeit dieses Prozesses sind Vorteile der Methode. Allerdings kann die Laserexposition auf die Zellen toxisch wirken, was ein großes Risiko für die weitere Verarbeitung darstellt.

Stereolithographie

Die Stereolithographie (SLA) ist das erste Rapid-Prototyping-Verfahren, das Ende der 1980er Jahre von 3D Systems eingeführt wurde. Es ist ebenfalls auf den Biodruck anwendbar, sofern man lichtsensitive Hydrogele verwendet. Diese werden mithilfe von UV-Bestrahlung Schicht für Schicht vernetzt. 

Obwohl diese Form des 3D-Bioprintingswahrscheinlich die höchste Fertigungsgenauigkeit hat, steckt es größtenteils noch in den Kinderschuhen. Das Problem: Um die Photovernetzung zu erleichtern, kommen Photoinitiatoren zum Einsatz. Diese können jedoch (unbeabsichtigt) toxisch wirken. Ebenso wie die die UV-Bestrahlung von der bekannt ist, dass sie Zell-DNA schädigt. Um letzteres zu lösen, können Photoinitiatoren verwendet werden, die gegenüber sichtbaren Licht unempfindlich sind.

Laserunterstütztes Bioprinting

Das laserunterstütze Bioprinting kommt ursprünglich aus der Metallabscheidung. Dabei werden die Zellen mithilfe eines pulsierenden Lasers in ein Zielsubstrat getrieben. Das System besteht aus drei Teilen:  Laserquelle sowie Spender - und Empfänger-Objektträgern. Der Spender-Objektträger setzt sich aus einem Stapel von Glasobjektträgern, einer dünnen Metallschicht und Hydrogel zusammen. Ein Empfänger-Objektträger kann aus verschiedenen Arten von Biomaterialen bestehen, zum Beispiel Gelatine, Fibrin und Alignat. 

Verglichen mit anderen Verfahren besitzt der laserunterstützte Biodruck einzigartige Vorteile: Der gesamte Prozess kann kontaktfrei und ohne Düse ablaufen, die Zellen zeigen eine hohe Aktivität und werden exakt platziert. Hinzu kommt, dass das Hydrogel des Spender-Objektträgers mehrere Arten von Zellen enthalten kann, was eine Mehrzellenpositionierung ermöglicht.

Quellen & Literaturverzeichnis

[1] Naserzare, J. (2018). Bioprinting – technologische Herausforderungen im medizinischen 3D-Druck. Masterthesis, FH Campus Wien

[2] Smeets, R. Aktuelle Methoden der additiven Fertigung und des Bioprintings in der Zahmedizin sowie der MKG-Chirurgie. Quintessenz 69.9 (2018): 1070-1076.

[3] Hellera, M. Materialien und Gerüste im medizinischen 3-D-Druck und Bioprinting im Kontext der Knochenregeneration. International Journal of Computerized Dentistry 19.4 (2016): 301-321.

[4] 3D-Biodruck: Menschliche Organe aus dem 3D-Drucker? (7. November 2019), https://www.3dnatives.com/de/featured-biodruck-180520171/#! (Stand 02.02.2022)
 


Lesen Sie mehr zum Thema


Jetzt kostenfreie Newsletter bestellen!

Weitere Artikel zu WEKA FACHMEDIEN GmbH