Neues 4D-Druck-Verfahren könnte Bioprinting künstlicher Organe ermöglichen

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Forscher der University of Alberta in Kanada haben ein 4D-Druck-Verfahren entwickelt mit dem sich biologische Funktionen in Objekte integrieren lassen. Zukünftig könnte der Prozess den 3D-Druck von Organen ermöglichen.

Mit dem entwickelten Verfahren, das die Wissenschaftler „4D-Druck“ nennen, lassen sich Objekte mit integrierten biologischen Funktionen herstellen. Dies könnte einen bedeutenden Schritt in Richtung Tissue Engineering darstellen.

„Wir haben die Instrumente so erweitert, dass die Integration von biologischen Funktionen als intrinsische Eigenschaften in von uns mit einer neuen Art lichthärtenden Bio-Nanotine gedruckten Objekten möglich ist,“ erklärt Stella Mathews, Wissenschaftlerin im Bereich Verfahrenstechnik an der Universität von Alberta.

Mit dem neu entwickelten Prozess wurde ein Kunstharz bestehend aus Silber-Nanopartikeln, Kohlenstoffnanoröhrchen und Membran-Proteinen gedruckt. Beim Eintauchen in Wasser und der Aussetzung an UV-Licht spalten sich die Wassermoleküle und erzeugen so Wasserstoff. Dieser Vorgang ist essentiell für die Funktion einer Brennstoffzelle.

Mathews erklärt: „Wenn das Protein mit UV-Licht bestrahlt wird, erzeugt es ein Proton, welches mit den Silber-Nanopartikeln reagiert um Wasser zu spalten und so Wasserstoff zu erzeugen. Die von uns entwickelte Bio-Nanotine baut auf einer Kombination von Materialien, Stabilität und Geometrie die innerhalb eines konstruierten Raumes kontrolliert werden kann.“

Auch wenn diese Art von Brennstoffzellen bereits existieren, ist die Möglichkeit diese am 3D-Drucker herzustellen neu. Die Forscher sehen hier das Potential für den 3D-Druck von hocheffizienten Brennstoffzellen auf einer größeren Skala. Jedoch liegt die Zukunft dieser Technologie nicht in der Herstellung von Brennstoffzellen, sondern in der Möglichkeit Objekte zu drucken, welche komplexe natürliche Vorgänge nachahmen können, darunter etwa die Photosynthese oder Prozesse im menschlichen Körper.

Mathews könnte sich vorstellen, dass mit dem 4D-Druck-Verfahren zukünftig Implantate wie beispielsweise ein Meniskus hergestellt wird:

„Wir würden ihn [den Meniskus] mit einem Material drucken, das über die nötigen mechanischen Eigenschaften verfügt um der Belastung durch die Knochen Stand zu halten, über Faktoren welche Zelladhäsion fördern und zudem das körpereigenen Immunsystem vor einer Abstoßung hindern. Dies ist jedoch nur die erste von vielen Phasen.“

Die Studie mit dem Titel „Bio nano ink for 4D printing membrane proteins“ wurde im Fachjournal RSC Advances veröffentlicht.