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24.02.2016

PCL-Implantate aus dem 3D-Drucker

Organe und Gewebe auf Knopfdruck

Mit einem neuen Bio-Drucker haben US-Forscher bewiesen, dass es möglich ist, Organe und Gewebe nachzubilden und erfolgreich zu verpflanzen – zumindest in Tierversuchen. Bereits seit Jahren suchen Wissenschaftler nach einer Methode, Teile lebenden Gewebes mit Hilfe von 3D-Druckern herzustellen. Bisherige Versuche scheiterten jedoch.

Mit dem Bio-Drucker können Knochen, Knorpel und größere komplexe Gewebe hergestellt werden (©Wake Forest Institute for Regenerative Medicine)

„Dieser neue Gewebe- und Organdrucker ist ein wichtiger Fortschritt in unseren Bestrebungen, Ersatzgewebe für Patienten herzustellen“, sagt Anthony Atala vom Wake Forest Institute for Regenerative Medicine, Winston Salem/USA. Bereits seit zehn Jahren erforscht das Team um Atala Verfahren, um Organe mit Hilfe eines 3D-Druckers herzustellen. Ihrem Ziel sind die Forscher nun einen großen Schritt näher gekommen.

Ab 200 µm keine ausreichende Versorgung mehr möglich

Das Gerüst des Gewebes besteht aus PCL (©Wake Forest Institute for Regenerative Medicine)

Wie die Wissenschaftler im Fachmagazin „Nature Biotechnology“ berichten, ist es ihnen in Tierversuchen gelungen, Knorpel, Knochen und Muskelgewebe erst mit Hilfe des 3D-Druckers herzustellen und anschließend erfolgreich einzusetzen. Eine Anwendung in der Humanmedizin stehe aber noch in weiter Ferne, betonen die Forscher.

Neu ist die Idee nicht, Organe und Gewebe mit Hilfe eines 3D-Druckers herzustellen. Die meisten Versuche scheiterten allerdings bisher. Das Problem: Bei Gewebedicken von mehr als 200 µm konnten die einzelnen Zellen nicht mehr mit genügen Nährstoffen und Sauerstoff versorgt werden. Für diesen Zweck entwickelten die Forscher jetzt Mikrokanäle.

Gerüst aus PCL

Für das Gerüst des Gewebes verwendeten die Wissenschaftler Polycaprolacton (PCL), ein auf Basis von Erdöl gewonnener Kunststoff. Der Thermoplast ist bei Raumtemperatur weich und gummiartig. Aufgrund seiner gleichmäßigen Struktur ist er jedoch gut kristallisierbar.

Der Abbau des PCL kann bis zu 2 Jahren dauern, daher kann der Kunststoff das Ersatzgewebe lange genug stützen (©Wake Forest Institute for Regenerative Medicine)

Kristallines PCL ähnelt in der Kristallstruktur dem Polyethylen (PE). Sein Schmelzpunkt liegt bei etwa 63 °C und es besitzt eine Zugfestigkeit von 26 bis 42 MPa sowie eine Reißdehnung von 600 bis 1000 %. Die Glas-Übergangstemperatur liegt im amorphen Zustand bei etwa -70 °C. Allerdings hat PCL eine hohe Tendenz zur Kristallisation, die auch bei schneller Abkühlung eintritt. Damit erhöht sich die Glas-Übergangstemperatur auf etwa -60 °C.

Das Material ist gut mischbar und verbindet sich auch mit anderen Kunststoffen sowie mit Lignin, Gelen, Stärke und anderen Materialien. Außerdem haftet es an zahlreichen Oberflächen. Es ist leicht zu verarbeiten, gut schmelzbar, nicht toxisch und vollständig biologisch abbaubar. Der Abbau dauert jedoch bis zu zwei Jahren, so dass PCL das Ersatzgewebe lange stützen kann.

Hydrogel mit lebenden Zellen

Ausgedrucktes Gewebe: Eine Anwendung in der Humanmedizin steht nach Meinung der Forscher allerdings noch in weiter Ferne (©Wake Forest Institute for Regenerative Medicine)

In das PCL-Gerüst sind Lagen mit Hydrogel und die Mikrokanäle eingebaut. Das Hydrogel besteht aus Gelatine, dem Protein Fibrinogen, Hyaluronsäure und Glyzerin in Glukose gemischt. Die genaue Mischung passten die Wissenschaftler für die verschiedenen Gewebearten individuell an. In dem Gel befinden sich außerdem lebende Zellen.

In ihren Versuchen druckten die Forscher unter anderem einen Teil der Schädeldecke für eine Ratte. Das Implantat setzten sie in den Schädel des Tieres ein, wo es zu einem vollständig Teil des Schädelknochens umgebaut wurde. Mit Erfolg: Nach fünf Monaten war es komplett in das Schädeldach integriert.

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Melanie Ehrhardt, Redaktion

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