Mikro Strukturen aus Riboflavin (Vitamin B2) mittels Additive Manufacturing erzeugt

Das deutsche Laser Zentrum Hannover, entwickelte in Zusammenarbeit mit der amerikanischen North Carolina State University einen additiven Produktionsprozess, mithilfe dessen sich Mikro Strukturen aus Riboflavin (Vitamin B2) erstellen lassen.

Tissue Engineering ist eine Wissenschaft die sich mit der künstlichen Erstellung von lebenden Gewebe beschäftigt. Mithilfe eines 3D-Biodruckers lassen sich beispielsweise lebende Zellen zu einem 3-Dimensionalen Objekt aufbauen. Damit möchten Forscher künftig lebende Ersatzteile für Menschen aus körpereigene Zellen erstellen. Um jedoch lebende Zellen zu einem 3-Dimensionalen Konstrukt aufbauen zu können, wird eine Hilfsstruktur benötigt die für das lebende Gewebe nicht giftig ist.

Einen interessanten Ansatz zum Erstellen einer derartigen Hilfsstruktur, bietet ein von dem deutschen Laser Zentrum Hannover in Zusammenarbeit mit der amerikanischen North Carolina State University entwickelten additiven Prozess mit Riboflavin, besser bekannt als Vitamin B2. Das Forschungsteam erstellte mithilfe der Zwei-Photonen-Polymerisation Mikrostrukturen aus dem biologischen Material. Dabei werden üblicherweise flüssige photoreaktiven Materialien mithilfe von Licht zu Mikrostrukturen ausgehärtet. Da die meisten derartigen Materialien giftig sind, eignete sich dieser Prozess bisher nicht für Tissue Engineering. In diesem Fall gelang es den Forschern jedoch einen Ausgangsstoff aus Riboflavin zu erzeugen, der ungiftig und biologisch verträglich ist und so künftig für Tissue Engineering interessant werden könnte.

Die Zwei-Photonen Polymerisation (2PP) ist ein Verfahren zur Erzeugung von dreidimensionalen polymeren Mikrostrukturen mit Hilfe fokussierter NIR Ultra-Kurzpulsaserstrahlung. In der 2PP findet eine Absorption der Strahlung ausschließlich innerhalb des Fokusvolumens nicht aber entlang des Strahlengangs durch die polymerisierbare Lösung statt. Diese charakteristische Begrenztheit der Zwei-Photonen-Absorption auf das Fokusvolumen der Strahlung erlaubt die strahlungsinduzierte Polymerisation in der Tiefe einer flüssigen Monomerlösung ohne dabei out-of-focus Bereiche zu verfestigen. Die extrem hohen Photonendichten, die der Prozess erfordert, werden heute durch den Einsatz von gepulsten Femtosekundenlasern (Titan-Saphir-Laser) verfügbar. Mit der 2PP sind Strukturierungen mit einer Auflösung von < 1Mikrometer in axialer Richtung und <500 nm in lateraler Richtung erreichbar. Die freie radikalische Photopolymerisation bzw. das Photocrosslinking der (meth)acrylathaltigen Monomere, Makromere bzw. von modifizierten Biopolymeren wird ausgelöst durch radikalbildende Photoinitiatoren (z.B. Irgacure 369) oder durch die Verwendung von Photosensitizern in Verbindung mit Triethanolamin als Coinitiator. Während der Strukturierung wird der Fokus innerhalb des Photopolymers in x-, y- und z-Richtung computergesteuert auf der Grundlage von dreidimensionalen Computer-Modellen bewegt. Die 2PP kann potentiell Anwendung finden in der Mikrooptik zur Erzeugung von Wellenleiterstrukturen oder Mikrolinsen, in der Mikroaktorik (Mikrogreifer, Mikronadeln), in der Mikrofluidik zur Erzeugung von Mikropumpen und -ventilen und im Tissue Engineering zur Herstellung von Zellträgerstrukturen (Scaffolds). Durch die dreidimensionale Zellkultivierung auf mikrostrukturierten Scaffolds wird versucht, entscheidende Elemente der natürlichen Mikroumgebung der Zellen in Geweben, d.h. Kontakte zur extrazellulären Matrix (ECM) sowie Zell-Zell-Kontakte, in synthetischen dreidimensionalen Zellträgern nachzuahmen und somit künstliche Gewebe zu erzeugen. Erste Zellkulturversuche mit bovinen Chondrozyten demonstrierten eine gute Bioverträglichkeit der 2PP erzeugten Scaffolds.

Die Ergebnisse der Forschung wurden in einem Paper mit dem Titel: “Two-photon polymerization of polyethylene glycol diacrylate scaffolds with riboflavin and triethanolamine used as a water-soluble photoiniator” / “Zwei-Photonen-Polymerisation zur Herstellung von polymeren dreidimensionalen Zellträgerstrukturen” veröffentlicht.

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