3D-gedruckte Gerüste aus Zucker für Gewebezüchtung

Wissenschaftler der University of Illinois haben einen 3D-Drucker entwickelt, mit dem sich Strukturen aus einer Zuckerlösung quasi in die Luft drucken lassen. So entstehen komplexe stabile Gerüste, die bei Anwendungen in der Biomedizintechnik oder der Forschung eingesetzt werden können. 

Die wasserlöslichen und biologisch abbaubaren Netzwerke bestehen aus dünnen Fäden von gehärtetem Isomalt, einem Gemisch zweier Zuckeralkohole. Isomalt kommt vorwiegend in der Lebensmittelherstellung als Zuckerersatz zum Einsatz, beispielsweise für zuckerfreie Bonbons oder Kaugummis.

“Dies ist eine ausgezeichnete Möglichkeit um Formen herzustellen, die mit weichen Materialien überzogen oder mit Zellen und Gewebe umwachsen werden können. Das Gerüst löst sich danach auf,”erklärt Rohit Bhargava, Professor für Bioengineering und Direktor des Cancer Center an der Illinois University. “Eine mögliche Anwendung ist beispielsweise die Gewebezüchtung oder Tumorforschung im Labor. Zellen werden meinst in einer flachen Petrischale kultiviert. Dies zeigt uns zwar einige Eigenschaften dieser Zellen, jedoch nicht in einer sehr dynamischen Art, um zu sehen wie dieses System eigentlich im Körper funktioniert. Im Körper findet man klar definierte Formen – Form und Funktion hängen eng miteinander zusammen.”

3D-Druck in die Luft

Bei dem Druckverfahren, das die Forscher anwenden, bewegt sich der Druckkopf mit der Düse frei in der Luft. Das zuvor geschmolzene Zuckermaterial härtet nach der Extrusion sofort aus. Anstatt Schicht für Schicht aufgetragen, entstehen so Strukturen die “in die Luft geduckt werden”. Laut Matthew Gelber, Erstautor der Studie “Model-guided design and characterization of a high-precision 3D printing process for carbohydrate glass“, wurden zuvor auch andere Zuckerlösungen getestet. Dabei entstanden jedoch Probleme mit Verbrennung und Kristallisierung. Isomalt stellt sich als ideales Material heraus.

Klicken Sie auf den unteren Button, um den Inhalt von giphy.com zu laden.

Inhalt laden

Danach musste noch ein 3D-Drucker entwickelt werden, der über die richtige Kombination mechanischer Details verfügt, um stabile Strukturen aus Isomalt herstellen zu können. Dabei muss die richtige Temperatur vorherrschen und das Material mit dem richtigen Druck aus der Düsen extrudiert werden. Auch der Durchmesser der Düse und die Geschwindigkeit mit der diese bewegt wird spielt eine entscheidende Rolle. Nur durch die richtige Kombination dieser Faktoren können stabile Strukturen gedruckt werden.

“Nachdem Materialien und die Mechanik stand, war der dritte Baustein die Informatik,” erklärt Gelber. “Man hat ein Design das man realisieren möchte, aber wie übermittelt man dieses dem Drucker? Wie eruiert man die Sequenzen um die sich kreuzenden Fäden zu drucken ohne dass die Struktur einstürzt?”

Zusammen mit Greg Hurst von Wolfram Research wurde ein Algorithmus entwickelt, mit dem sich die Gerüste designen und Druckbahnen planen lassen.

Kontrolle mechanischer Eigenschaften

Einer der Vorteile solcher Freiformstrukturen ist die Möglichkeit dünne Kanäle mit Querverbindungen herzustellen, etwas das mit herkömmlichen 3D-Druckverfahren für Polymere nicht realisierbar ist. Löst sich das Zuckermaterial auf, bleibt eine Reihe verbundener zylindrischer Kanäle zurück, welche ähnlich wie Blutgefäße eingesetzt werden können, um Nährstoffe in das Gewebe zu transportieren. Zudem wäre der Einsatz zur Herstellung von mikrofluidischen Systemen denkbar.

Einen weiteren Vorteil sieht man in der Möglichkeit die mechanischen Eigenschaften jedes Abschnitts der Struktur exakt kontrollieren zu können, indem die Druckparameter entsprechend angepasst werden. Um dies zu demonstrieren hat das Forscherteam einen Hasen gedruckt, dessen mechanische Eigenschaften sich in unterschiedlichen Körperteilen unterscheiden. Biologisch gesehen ist dies eine entscheidende Fähigkeit des Verfahrens.

Derzeit setzt das Forscherteam rund um Bhargava die 3D-gedruckten Gerüste bereits in einer Reihe mikrofluidischer Systeme sowie für Zellkulturen ein. Es wird außerdem an der Entwicklung eines Überzugs für die Strukturen gearbeitet, mit denen dessen Zerfall zeitlich gesteuert werden kann.