US-Forschende untersuchen 3D-Druck von auxetischem Weichteilgewebe

Forschende nutzen architektonische Hilfsmittel, um eine 300-mal höhere Flexibilität in einem neuen 3D-Druckdesign zu erreichen.

Im Labor des Georgia Tech Forschers Scott Hollister entstehen durch 3D-Druck hergestellte medizinische Geräte, die bereits vielen jungen Patienten das Leben gerettet haben. Seit über einem Jahrzehnt entwickelt Hollister mit seinen Mitarbeitern lebensrettende, patientenspezifische Atemwegsschienen für Babys mit seltenen Geburtsfehlern.

Diese individuell angepassten Atemwegsunterstützungsgeräte werden aus einem biokompatiblen Polyester namens Polycaprolacton (PCL) hergestellt, das von der US-amerikanischen Food and Drug Administration zugelassen ist. Bei der Herstellung wird selektives Lasersintern verwendet, um das Polyesterpulver zu erhitzen, das sich dann zu einer festen Struktur verbindet. PCL-basierte Geräte haben eine hohe Sicherheit bei der Implantation in Patienten gezeigt.

Allerdings hat PCL den Nachteil, relativ steife und lineare mechanische Eigenschaften zu besitzen, was seine Anwendung in anderen wichtigen Bereichen der Biomedizin, wie zum Beispiel der Weichgewebe-Technik, bisher einschränkte. Hollisters Labor hat jedoch herausgefunden, wie man aus dem festen Thermoplast ein flexibles Material machen kann, das möglicherweise mit dem Patienten mitwächst.

Jeong Hun Park, ein Forscher in Hollisters Labor, führte eine Studie durch, die das erfolgreiche 3D-Drucken von PCL für die Weichgewebetechnik demonstrierte. Ein auxetisches Material, anders als typische elastische Materialien, hat eine negative Poisson-Zahl. Das bedeutet, dass sich ein auxetisches Material bei longitudinaler Dehnung auch in lateraler Richtung ausdehnt, während sich die meisten Materialien seitlich verengen (da sie eine positive Poisson-Zahl haben).

“Obwohl die mechanischen Eigenschaften und das Verhalten der 3D-Struktur von den inhärenten Eigenschaften des Basismaterials – in diesem Fall PCL – abhängen, können sie auch durch die Gestaltung der internen Architektur erheblich beeinflusst werden”, erklärte Park.

Die Forschung von Hollisters Team zielt darauf ab, PCL neue auxetische Eigenschaften zu verleihen. Park erklärt, dass die mechanischen Eigenschaften und das Verhalten der 3D-Struktur nicht nur von den inhärenten Eigenschaften des Basismaterials – in diesem Fall PCL – abhängen, sondern auch erheblich durch das Design der internen Architektur beeinflusst werden können.

Das Team begann mit der Erstellung würfelförmiger Strukturen, um die Flexibilität, Festigkeit und Durchlässigkeit des auxetischen Designs zu testen. Ein auxetisches Material ist eine Netzwerkstruktur, die durch die Zusammenstellung von Einzelzellen aufgebaut wird. Diese Einzelzellen bestehen aus Streben und deren sich kreuzenden Gelenken, die ein wichtiges Merkmal des Verhaltens eines auxetischen Geräts sind.

Die Rotation dieser Kreuzgelenke im Netzwerk unter Druck oder Dehnung führt zu einem negativen Poisson-Verhalten. Dies ermöglicht eine fortgeschrittene Leistung für ein gedrucktes Gerät, einschließlich der Absorption von Aufprallenergie, Widerstand gegen Eindrücke und hoher Flexibilität.

“Wenn man sich die Zahlen ansieht, ist die neue Struktur, basierend auf Jeong Huns Arbeit, etwa 300 Mal flexibler als die typische feste Struktur, die wir in unserem Labor aus PCL herstellen”, sagte Hollister, Professor am Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering an der Georgia Tech und der Emory University, wo er auch den Patsy and Alan Dorris Chair in Pediatric Technology innehat und als Associate Chair für translationale Forschung fungiert.

Das ultimative Ziel der Forschung ist es, diese Struktur zur Entwicklung eines Brustrekonstruktionsimplantats zu verwenden, das vergleichbare biomechanische Eigenschaften wie natives Brustgewebe hat. Diese biologisch abbaubaren Brustrekonstruktionsimplantate dienen als eine Art Gerüst, wobei das biokompatible Material (PCL) schließlich abgebaut und vom Körper aufgenommen wird, während es ähnliche mechanische Eigenschaften wie natives Brustgewebe beibehält.

Das 3D-gedruckte Brustimplantat ist so konzipiert, dass es rekonstruktive Unterstützung bietet und gleichzeitig das Wachstum neuen Gewebes fördert. Der Raum zwischen den winzigen Streben macht den Unterschied für das größere Gerät aus, indem er Weichheit und Geschmeidigkeit ermöglicht, die andernfalls unmöglich gewesen wären. Diese Räume können schließlich mit Hydrogel gefüllt werden, das das Wachstum von Zellen und Gewebe fördert.

Die von Park entworfene Architektur umfasst auch das Design innerer Hohlräume und Räume innerhalb der Streben, wodurch eine Art Mikroporosität entsteht, die den Massentransport von Sauerstoff, Nährstoffen und Stoffwechselprodukten ermöglicht, um die Expansion und das Wachstum eines zellulären Netzwerks zu fördern.

“Wir erwarten, dass natives Gewebe zunächst in die Poren des biologisch abbaubaren Implantats infiltriert wird”, so Park. “Das Gewebevolumen wird dann im Laufe des Abbaus innerhalb des Implantats zunehmen, und schließlich wird das Gerät selbst durch das Gewebe ersetzt, wenn das Implantat vollständig abgebaut ist.”

Park arbeitet mit der Chirurgin Angela Cheng von Emory zusammen, um einen Förderantrag für weitere Forschungen und Tests des Brustimplantats einzureichen. Das Team passt die Technologie bereits für andere Anwendungen an. So nutzt zum Beispiel Mike Davis’ Labor an der Emory Universität, das sich auf die Regeneration von Herzmuskelgewebe konzentriert, diese Technologie zur Rekonstruktion von infarziertem oder nekrotischem Myokardgewebe.

“Der Vorteil dieses Designs ist, dass es sich in zwei Richtungen ausdehnen kann”, sagte Park. “Wenn die jungen Patienten wachsen, wächst das neue Gerät mit ihnen mit.