Forscher entwickeln auf Abruf abbaubares Biomaterial für 3D-Druck

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Ein Wissenschaftler-Team der Brown University in den USA hat ein Biomaterial für den 3D-Druck entwickelt, das sich mittels biokompatibler, chemischer Auslöser abbaut. Potential für das neue Material sieht man bei komplexen mikrofluidischen Kanälen für „Lab-on-a-Chip“ Systemen oder auch zur Herstellung von Zellkulturen, die während Versuchen dynamisch verändert werden können.

Die Strukturen aus dem abbaubaren Biomaterial werden im Stereolithographie-Verfahren hergestellt, bei dem ein UV-Laser Schicht für Schicht Strukturen in einer lichtsensitiven Polymer-Lösung aushärtet. Durch nachträgliche Stimulation und somit Entfernung von Ionen lösen sich zuvor entstandene Polymer-Verbindungen wieder auf.

„Es ist ähnlich wie bei Lego,“ erklärt Assistant Professor Ian Wong von der School of Engineering der Brown University. „Wir können Polymere zusammenfügen um 3D-Strukturen zu bauen und diese dann unter biokompatiblen Bedingungen sanft voneinander lösen.“

Bei Stereolithographie werden grundsätzlich photosensitive Polymere verwendet, die während dem Druckvorgang eine irreversible Bindung eingehen. Bei der aktuellen Studie ist es Wong und seinem Team jedoch gelungen, Strukturen mit potentiell umkehrbaren Ionenbindungen herzustellen – etwas das bislang noch nicht versucht wurde. Um dies zu erzielen wurden Lösungen aus Natriumalginat entwickelt; eine Verbindung die aus Meeresalgen gewonnen wird und sich ionisch vernetzen kann.

„Die Idee ist, dass sich die Verbindungen zwischen den Polymeren lösen, wenn die Ionen entfernt werden. Dies kann durch das Zugeben eines Chelatbildners erzielt werden, der die Ionen an sich bindet,“ erklärt Wong. „So können wir kurzzeitig Strukturen schaffen die sich auf Abruf auflösen lassen.“

Bei ihren Versuchen stellten die Forscher fest, dass Alginate tatsächlich für Sterolithographie-Verfahren herangezogen werden können. Durch die Verwendung verschiedener Kombinationen aus ionischen Salzen wie Magnesium, Barium und Kalzium war es möglich Strukturen mit unterschiedlicher Steifheit herzustellen, die sich verschieden schnell abbauen.

Laut Thomas. M. Valentin, PhD-Student und Autor der Studie „Stereolithographic Printing of Ionically-Crosslinked Alginate Hydrogels for Degradable Biomaterials and Microfluidics“, die im Fachmagazin Lab on a Chip veröffentlicht wurde, könnte das Material Anwendung als eine Art Schablone für komplexe mikrofluidische Kanäle auf „Lab-on-a-Chip“ Systemen finden.

„Wir können die Form der Kanäle aus Alginat drucken und rundherum eine permanente Struktur aus einem andern Biomaterial,“ erklärt er. „Danach lösen wir das Alginat einfach auf und es entsteht ein hohler Kanal.“

Zudem demonstrierten die Wissenschaftler, dass sich abbaubare Alginat-Strukturen zur Erstellung dynamischer Umgebungen bei Experimenten mit lebenden Zellen eignen. Dazu wurde eine Reihe von Versuchen mit Sperrschichten aus Alginat durchgeführt, die von menschlichen Brustdrüsenzellen umgeben waren. Nach Entfernen des Alginats konnte die Zellmigration genau beobachtet werden. Solche Versuche könnten sich nützlich im Bereich der Wundheilung oder auch der Migration von Krebs in Zellen zeigen.

Weitere zukünftige Einsatzbereiche mit großem Potential sind Zellträger für künstliches Gewebe oder Organe, so die Forscher. Bedeutend wäre dies vor allem bei der Herstellung von Blutgefäßen, die einer der Schlüsselpunkte beim Bioprinting von lebensfähigem Gewebe sind.