Kopfüber 3D-gedruckte Haut und Knochen, für humans to mars

Der 3D-Druck von menschlichem Gewebe könnte dazu beitragen, dass Astronauten bis zum Mars gesund bleiben. Ein ESA-Projekt hat seine ersten bioprinted Haut- und Knochenproben produziert.

Diese hochmodernen Proben wurden von Wissenschaftlern des Universitätsklinikums der Technischen Universität Dresden (TUD), die Teil des Projektkonsortiums sind, zusammen mit der OHB System AG als Hauptauftragnehmer und dem Life-Science-Spezialisten Blue Horizon erstellt.

“Hautzellen können mit menschlichem Blutplasma als nährstoffreiche” Biotinte “bioprintet werden, auf die die Missionscrewmitglieder problemlos zugreifen können”, kommentiert Nieves Cubo von der TUD.

“Plasma hat jedoch eine sehr flüssige Konsistenz, was es schwierig macht, unter veränderten Gravitationsbedingungen zu arbeiten. Wir haben daher ein modifiziertes Rezept durch Zugabe von Methylcellullose und Alginat entwickelt, um die Viskosität des Substrats zu erhöhen. Astronauten könnten diese Substanzen aus Pflanzen bzw. Algen gewinnen, eine praktikable Lösung für eine eigenständige Weltraumexpedition.”

„Zur Herstellung der Knochenprobe wurden humane Stammzellen mit einer ähnlichen Bio-Tintenzusammensetzung bedruckt, wobei ein Calciumphosphat-Knochenzement als strukturstützendes Material zugesetzt wurde, das anschließend während der Wachstumsphase absorbiert wird.“

Um zu beweisen, dass die Bioprint-Technik auf den Weltraum übertragbar war, wurden sowohl Haut- als auch Knochenproben kopfüber gedruckt. Da ein längerer Zugang zur Schwerelosigkeit nicht praktikabel war, stellte die Herausforderung eines solchen „minus 1 G“ -Tests die nächstbeste Option dar.

Die Beispiele stellen die ersten Schritte in einer ehrgeizigen End-to-End-Roadmap dar, um 3D-Bioprinting für den Weltraum praktikabel zu machen. Das Projekt untersucht die Art von Einrichtungen an Bord, die in Bezug auf Ausstattung, Operationsräume und sterile Umgebungen erforderlich sind, sowie die Fähigkeit, komplexere Gewebe für Transplantationen zu erzeugen – was letztendlich zum Drucken ganzer innerer Organe führt.

“Eine Reise zum Mars oder zu anderen interplanetaren Zielen wird mehrere Jahre im All dauern”, kommentiert Tommaso Ghidini, Leiter der Abteilung Strukturen, Mechanismen und Materialien der ESA, das Projekt.

„Die Besatzung wird viele Risiken eingehen, und eine frühzeitige Rückkehr nach Hause wird nicht möglich sein. Auf dem begrenzten Platz eines Raumfahrzeugs wäre es unmöglich, genügend medizinische Versorgung für alle möglichen Eventualitäten mitzuführen.”

„Stattdessen können sie mit einer 3D-Bioprint-Funktion auf medizinische Notfälle reagieren, sobald sie auftreten. Im Falle von Verbrennungen könnte zum Beispiel brandneue Haut bioprinted werden, anstatt von einer anderen Stelle auf den Körper des Astronauten gepfropft zu werden, was sekundäre Schäden verursacht, die in der Orbitalumgebung möglicherweise nicht leicht verheilen.

„Oder im Fall von Knochenbrüchen – wahrscheinlicher durch die Schwerelosigkeit des Weltraums in Verbindung mit der partiellen Erdanziehungskraft des Mars von 0,38 – könnte Ersatzknochen in verletzte Regionen eingebracht werden. In allen Fällen würde das biogedruckte Material vom Astronauten selbst stammen, so dass es kein Problem mit der Abstoßung von Transplantaten geben würde.“

Da das 3D-Bioprinting auf der Erde stetig voranschreitet, ist dieses Projekt das erste, das es außerhalb des Planeten einsetzt, erklärt Tommaso: „Dies ist ein typisches Muster, das wir sehen, wenn vielversprechende terrestrische Technologien zum ersten Mal für den Weltraum genutzt werden, von Kameras bis hin zu Mikroprozessoren. Es muss mehr mit weniger getan werden, damit die Dinge in der herausfordernden Weltraumumgebung funktionieren, sodass verschiedene Elemente der Technologie optimiert und miniaturisiert werden.”

“Ebenso hoffen wir, dass die Arbeit mit 3D-Bioprinting dazu beiträgt, den Fortschritt auf der Erde zu beschleunigen, die Verfügbarkeit zu beschleunigen und die Menschen noch früher zu erreichen.”

Das Projekt 3D-Druck von lebendem Gewebe für die Weltraumforschung wird durch ESA-Basisaktivitäten im Rahmen des Elements Entdeckung und Vorbereitung unterstützt und von der OHB System AG in Deutschland in Zusammenarbeit mit dem Zentrum für translationale Knochen-, Gelenk- und Weichgewebeforschung der TU Dresden in Deutschland geleitet.