Magazin
AM Business
Info Guide
Directories
Events
Jobs
Ein Forscherteam der UNSW Sydney stellte den Prototyp eines Geräts vor, mit dem lebende Zellen direkt auf innere Organe 3D-gedruckt werden können. Das neue Werkzeug kann möglicherweise als umfassendes endoskopisches chirurgisches Werkzeug verwendet werden.
3D-Bioprinting ist ein Verfahren, bei dem biomedizinische Teile aus so genannter Biotinte hergestellt werden, um natürliche gewebeähnliche Strukturen zu bilden.
Bioprinting wird vor allem für Forschungszwecke wie Tissue Engineering und die Entwicklung neuer Medikamente eingesetzt – und erfordert normalerweise den Einsatz großer 3D-Druckmaschinen, um zelluläre Strukturen außerhalb des lebenden Körpers herzustellen.
Die neue Forschungsarbeit des UNSW Medical Robotics Lab unter der Leitung von Dr. Thanh Nho Do und seinem Doktoranden Mai Thanh Thai in Zusammenarbeit mit anderen UNSW-Forscherinnen und Forschern, darunter Scientia-Professor Nigel Lovell, Dr. Hoang-Phuong Phan und Associate Professor Jelena Rnjak-Kovacina, wird in einem in der Zeitschrift Advanced Science veröffentlichten Artikel ausführlich beschrieben.
Das Ergebnis ihrer Arbeit ist ein winziger, flexibler 3D-Biodrucker, der wie ein Endoskop in den Körper eingeführt werden kann und mehrschichtige Biomaterialien direkt auf die Oberfläche von inneren Organen und Geweben aufbringt.
Das als F3DB bezeichnete Proof-of-Concept-Gerät verfügt über einen äußerst beweglichen Schwenkkopf, der die Biotinte “druckt”, und ist am Ende eines langen und flexiblen schlangenartigen Roboterarms angebracht, der von außen gesteuert werden kann.
Nach Angaben des Forschungsteams könnte die Technologie bei weiterer Entwicklung in fünf bis sieben Jahren von Medizinern eingesetzt werden, um über kleine Hautschnitte oder natürliche Körperöffnungen an schwer zugängliche Stellen im Körper zu gelangen.
Das Forschungsteam testete das Gerät in einem künstlichen Dickdarm, wo es in der Lage war, enge Räume zu durchqueren, bevor es erfolgreich in 3D gedruckt wurde.
Dr. Do und sein Team haben ihr Gerät in einem künstlichen Dickdarm getestet und eine Reihe von Materialien mit unterschiedlichen Formen auf der Oberfläche einer Schweineniere 3D-gedruckt.
“Bestehende 3D-Biodrucktechniken erfordern, dass Biomaterialien außerhalb des Körpers hergestellt werden, und die Implantation in einen Menschen würde in der Regel einen großen chirurgischen Eingriff mit offenem Feld erfordern, der das Infektionsrisiko erhöht”, sagte Dr. Do, ein Scientia Senior Lecturer an der Graduate School of Biomedical Engineering (GSBmE) und dem Tyree Foundation Institute of Health Engineering (IHealthE) der UNSW. “Unser flexibler 3D-Biodrucker bedeutet, dass Biomaterialien mit einem minimalinvasiven Ansatz direkt in das Zielgewebe oder die Organe eingebracht werden können.
Dieses System hat das Potenzial, dreidimensionale Wunden im Körper präzise zu rekonstruieren, wie etwa Verletzungen der Magenwand oder Schäden und Erkrankungen im Dickdarm. Unser Prototyp ist dank seines flexiblen Körpers in der Lage, mehrschichtige Biomaterialien unterschiedlicher Größe und Form in begrenzten und schwer zugänglichen Bereichen zu drucken. Unser Ansatz behebt auch erhebliche Einschränkungen bei bestehenden 3D-Bioprintern, wie z. B. Oberflächenfehlanpassungen zwischen 3D-gedruckten Biomaterialien und Zielgeweben/-organen sowie strukturelle Schäden während der manuellen Handhabung, des Transfers und des Transportprozesses.”
Scientia-Professor Nigel Lovell, Leiter des GSBmE und Direktor des IHealthE, fügte hinzu: “Derzeit gibt es keine kommerziell erhältlichen Geräte, die in situ 3D-Bioprinting auf innere Gewebe/Organe durchführen können, die von der Hautoberfläche entfernt sind. Es wurden bereits einige Geräte vorgestellt, die den Nachweis eines Konzepts erbracht haben, aber sie sind sehr viel starrer und schwieriger in komplexen und engen Räumen im Körperinneren zu verwenden”.
Der kleinste vom UNSW-Team hergestellte F3DB-Prototyp hat einen ähnlichen Durchmesser wie handelsübliche therapeutische Endoskope (ca. 11-13 mm) und ist damit klein genug, um in den menschlichen Magen-Darm-Trakt eingeführt zu werden.
Das Forscherteam sagen jedoch, dass er für künftige medizinische Anwendungen leicht noch kleiner skaliert werden könnte.
Weiche Robotik
Das Gerät verfügt über einen dreiachsigen Druckkopf, der direkt an der Spitze eines weichen Roboterarms angebracht ist. Dieser Druckkopf, der aus weichen, künstlichen Muskeln besteht, die es ihm ermöglichen, sich in drei Richtungen zu bewegen, funktioniert ähnlich wie ein herkömmlicher Desktop-3D-Drucker.
Der weiche Roboterarm kann sich dank der Hydraulik biegen und verdrehen und kann in jeder gewünschten Länge hergestellt werden. Seine Steifigkeit kann mit verschiedenen Arten von elastischen Schläuchen und Geweben fein abgestimmt werden.
Die Druckdüse kann so programmiert werden, dass sie vorgegebene Formen druckt, oder manuell bedient werden, wenn komplexere oder unbestimmte Bioprints erforderlich sind. Darüber hinaus setzte das Team eine auf maschinellem Lernen basierende Steuerung ein, die den Druckprozess unterstützen kann.
Um die Machbarkeit der Technologie zu demonstrieren, testete das UNSW-Team die Lebensfähigkeit von lebendem Biomaterial nach dem Druck mit ihrem System.
Die Experimente zeigten, dass die Zellen durch den Prozess nicht beeinträchtigt wurden und die Mehrheit der Zellen nach dem Druck lebendig war. Die Zellen wuchsen in den nächsten sieben Tagen weiter, wobei eine Woche nach dem Druck viermal so viele Zellen beobachtet wurden.
Endoskopisches chirurgisches All-in-One-Werkzeug
Das Forschungsteam demonstrierte auch, wie der F3DB als umfassendes endoskopisches chirurgisches Werkzeug eingesetzt werden könnte, um eine Reihe von Funktionen auszuführen.
Dies könnte vor allem bei der Entfernung bestimmter Krebsarten, insbesondere des Dickdarmkrebses, durch die so genannte endoskopische Submukosadissektion (ESD) von Bedeutung sein.
Weltweit ist Darmkrebs die dritthäufigste Krebstodesursache, aber eine frühzeitige Entfernung kolorektaler Neoplasien führt zu einer Erhöhung der Fünf-Jahres-Überlebensrate der Patienten um mindestens 90 Prozent.
Die Düse des F3DB-Druckkopfes kann als eine Art elektrisches Skalpell verwendet werden, um krebsartige Läsionen zunächst zu markieren und dann wegzuschneiden.
Außerdem kann Wasser durch die Düse geleitet werden, um gleichzeitig Blut und überschüssiges Gewebe von der Operationsstelle zu entfernen, während eine schnellere Heilung durch den sofortigen 3D-Druck von Biomaterial gefördert werden kann, während der Roboterarm noch an Ort und Stelle ist.
Das Forschungsteam demonstrierte, wie der F3DB auf vielfältige Weise eingesetzt werden könnte, wenn er zu einem umfassenden endoskopischen chirurgischen Instrument entwickelt würde.
Die Fähigkeit, solche multifunktionalen Verfahren durchzuführen, wurde am Darm eines Schweins demonstriert, und das Team sagt, dass die Ergebnisse zeigen, dass der F3DB ein vielversprechender Kandidat für die zukünftige Entwicklung eines umfassenden endoskopischen chirurgischen Werkzeugs ist.
“Im Vergleich zu den bestehenden endoskopischen chirurgischen Werkzeugen wurde das entwickelte F3DB als endoskopisches All-in-One-Werkzeug konzipiert, das die Verwendung von Wechselwerkzeugen vermeidet, die normalerweise mit einer längeren Verfahrensdauer und Infektionsrisiken verbunden sind”, sagte Mai Thanh Thai.
Die nächste Entwicklungsstufe des Systems, für das ein vorläufiges Patent erteilt wurde, sind In-vivo-Tests an lebenden Tieren, um seinen praktischen Nutzen zu demonstrieren.
Die Forscherinnen und Forscher planen auch die Implementierung zusätzlicher Funktionen, wie z. B. eine integrierte Kamera und ein Echtzeit-Scansystem, das die 3D-Tomographie des sich bewegenden Gewebes im Körper rekonstruieren würde.
Mehr über UNSW Sydney finden Sie hier.
