Ohren aus dem 3D-Drucker

Aus Holz gewonnene Zellulose hat erstaunliche Materialeigenschaften. Empa-Forscher rüsten das biologisch abbaubare Material nun mit zusätzlichen Funktionen aus, um Implantate für Knorpelerkrankungen im 3D-Druck herzustellen.

Alles beginnt mit einem Ohr. Der Empa-Forscher Michael Hausmann entfernt den Gegenstand der geformt ist wie ein menschliches Ohr aus dem 3D-Drucker und erklärt: “Zellulose-Nanokristalle können im viskosen Zustand leicht mit anderen Biopolymeren mit einem 3D-Drucker wie dem Bioplotter zu komplexen dreidimensionalen Strukturen geformt werden.”

Einmal vernetzt, bleiben die Strukturen trotz ihrer weichen mechanischen Eigenschaften stabil. Derzeit untersucht Hausmann die Eigenschaften der Nanocellulose-Verbundhydrogele, um deren Stabilität sowie den Druckprozess weiter zu optimieren. Der Forscher hat bereits mithilfe der Röntgenanalyse ermittelt, wie Zellulose innerhalb der gedruckten Strukturen verteilt und organisiert wird.

Zu diesem Zeitpunkt besteht das gedruckte Ohr ausschließlich aus Cellulose-Nanokristallen und einem Biopolymer. Ziel ist es jedoch, sowohl menschliche Zellen als auch Therapeutika in die Basisstruktur einzubauen, um biomedizinische Implantate herzustellen. Derzeit läuft ein neues Projekt, das untersucht, wie Chondrozyten (Knorpelzellen) in das Gerüst integriert werden können, um künstliches Knorpelgewebe zu erhalten. Sobald sich die Besiedlung des Hydrogels mit Zellen etabliert hat, könnten nanocellulosebasierte Komposite in Form eines Ohrs als Implantat für Kinder mit einer angeborenen Ohrfehlbildung dienen, beispielsweise in Mikrotien, bei denen die äußeren Ohren nur unvollständig entwickelt sind. Eine Rekonstruktion der Ohrmuschel kann die Missbildung ästhetisch und medizinisch korrigieren; Andernfalls kann die Hörfähigkeit stark beeinträchtigt werden. Im weiteren Verlauf des Projekts werden Cellulose-Nanokristalle, die Hydrogele enthalten, auch für den Ersatz von Gelenkknorpel (z. B. Knie) bei Gelenkverschleiß aufgrund beispielsweise chronischer Arthritis verwendet.

Sobald das künstliche Gewebe in den Körper implantiert wurde, wird erwartet, dass sich das biologisch abbaubare Polymermaterial mit der Zeit abbaut. Die Cellulose selbst ist im Körper nicht abbaubar, aber biokompatibel. Nanocellulose ist jedoch nicht nur aufgrund ihrer Biokompatibilität das ideale Material für Implantatgerüste.

“Es ist auch die mechanische Leistung von Cellulose-Nanokristallen, die sie zu so vielversprechenden Kandidaten macht, weil die winzigen, aber hochstabilen Fasern das hergestellte Implantat extrem gut verstärken können”, sagte Hausmann.

Darüber hinaus ermöglicht Nanozellulose den Einbau verschiedener Funktionen durch chemische Modifikationen in das viskose Hydrogel. So können Struktur, mechanische Eigenschaften und Wechselwirkungen der Nanocellulose mit ihrer Umgebung gezielt auf das gewünschte Endprodukt abgestimmt werden.

„Wir können zum Beispiel Wirkstoffe einbauen, die das Wachstum von Chondrozyten fördern oder Gelenkentzündungen in das Hydrogel lindern“, sagt die Empa-Forscherin.

Und nicht zuletzt ist Cellulose das am häufigsten vorkommende natürliche Polymer der Erde. Die Verwendung von Cellulose-Nanokristallen profitiert daher nicht nur von der Eleganz des neuen Verfahrens, sondern auch von der Verfügbarkeit des Rohmaterials.

Das weiße Nanocellulose-Ohr liegt glänzend auf dem Glasträger. Gerade aus dem Bioplotter heraus ist er bereits robust und formstabil. Hausmann kann den Startschuss für die nächsten Schritte geben.