3D-Bioprinting und Elektrospinnen zur Behandlung chronischer Wunden

Mit dem Einsatz von 3D-Bioprinting sowie Elektrospinnen gelang es der italienischen Studentin Viola Sgarminato im Rahmen ihrer Magisterarbeit, ein Gerüst zur Behandlung von chronischen Wunden zu entwickeln.

Wundheilung ist bekanntlich ein natürlicher Prozess, in welchem eine Wunde durch die verstärkte Ansammlung von Blutplättchen an der betroffenen Stelle beschädigtes Körpergewebe wiederherstellt. Dieser Prozess kann jedoch durch Krankheiten wie beispielsweise Diabetes oder andere chronische Krankheiten verlangsamt oder gar verhindert werden. In diesem Falle spricht man von chronischen Wunden. Behandlungen für diese Umstände gibt es jedoch kaum.

Viola Sgarminato, Studentin der italienischen Politecnico di Torino, einer staatlichen ingenieurwissenschaftlichen Technischen Universität, beschäftigte sich nun mit eben diesem Problem. Im Rahmen ihrer Magisterarbeit entwickelte die Studentin mit dem Einsatz von 3D-Bioprinting sowie Elektrospinnen nun Gerüste, welche die Wundheilung tatsächlich fördern.

Die Kombination aus Elektrospinnen und 3D-Druck mit einem EnvisionTEC 3D-Bioplotter ermöglichte es Sgarminato, Gerüste zu entwickeln, welche die Wundheilung durch elektrisch stimulierende Hautzellen fördern.

“Zu diesem Zweck wurden hierarchische Gerüste aus Polycaprolacton (PCL) und piezoelektrischem Bariumtitanat (BaTiO3) durch 3D-Bioprinting und Elektrospinning hergestellt”, erklärt die Studentin.

Bei Elektrospinnen handelt es sich um eine seit Jahrzehnten verwendete Technik, welche elektrische Ladung nutzt, um Nanometerfäden aus einer Polymerlösung zu spinnen. Insbesondere im Bereich des Bioprinting erfreut sich diese Technik immer häufiger an Beliebtheit. Sgarminato nutzte diese Technik zur Herstellung von faserigen Patches. Weiters kam ein 3D-Bioplotter zum Einsatz, um 3D-Scaffolds zur Hautregeneration zu drucken.

“In dieser Arbeit wurde die Bio-Plotting-Technik verwendet, um Polycaprolacton (PCL) -Gerüste mit und ohne Bariumtitanat-Nanopartikel herzustellen. Mehrere Probendicken, Porositäten und Geometrien wurden getestet, um optimierte Gerüste für die Hautregeneration zu erhalten. Nieder- und Hochtemperaturprozesse wurden durchgeführt, um piezoelektrische bzw. nichtpiezoelektrische Gerüste herzustellen. Um Gerüste mit homogen verteilten BTNPs zu drucken, wird eine Lösung von PCL und folglich ein Niedrigtemperaturprozess benötigt,” erklärt Viola Sgarminato.

Innerhalb ihrer Forschungsarbeit wurden die Gerüste mit Zellen ausgesät, welche in weiterer Folge 24 bis 72 Stunden später ausgewertet wurden. Die verschieden hergestellten Gerüste wurde im Rahmen der Forschung untersucht, um diverse Faktoren wie beispielsweise die Porosität zu vergleichen sowie zu testen. Um die Adhäsion der Fasern an dem Gerüst zu verifizieren, wurden ebenso die zusammengesetzten Wundauflagen unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops untersucht. Hierbei stellte sich heraus, dass die Fasern selbst unter einer mechanischen Streckung an dem Substrat haften bleiben.

“Die Ergebnisse, die 24 Stunden nach Aussaat in 3T3-Zellen gemessen wurden, zeigen, dass die Zelladhäsion für jedes Substrat vergleichbar ist”, sagt Sgarminato. “Betrachtet man die Extinktionswerte nach 72 Stunden, so tritt das höchste Proliferationswachstum bei den Proben 4, 5 und 6 auf, die den PCL-Nanofasern entsprechen … Tatsächlich stellen PCL-elektrogesponnene Nanofasern ein geeignetes Substrat für Wachstum und Proliferation von NIH 3T3-Zellen dar. Die kleinen Unterschiede zwischen PCL-Nanofasern und Kompositen (Proben 7 und 8) deuten auf eine gute Zytokompatibilität der Komposit-Wundauflagen hin. Im Gegensatz dazu sind, wie erwartet, die gedruckten Gerüste ohne Nanofasern (Proben 2 und 3) aufgrund der begrenzten Kulturoberfläche keine geeigneten Substrate für die Zellproliferation.”

Publiziert wurde diese Forschung unter dem Titel “Kompositgerüste mit Porosität über mehrere Längenskalen zur Hautregeneration”.