US-Forscher finden Möglichkeit um 3D-Bioprinting zu beschleunigen

Derzeit befinden sich mehr als 113.000 Menschen auf der nationalen Transplantationsliste. Und mit einem Mangel an Spendern bedeutet dies, dass laut dem US-Gesundheitsministerium täglich etwa 20 Menschen sterben, während sie auf ein Organ warten.

Dies könnte sich jedoch dank Forschern der UC Berkeley ändern, die ein Gerät entwickelt haben, das für die Durchführbarkeit des Bioprintings von entscheidender Bedeutung sein kann, einer Erweiterung des 3D-Drucks, mit der lebendes Gewebe, Knochen, Blutgefäße und sogar ganze Organe bei Bedarf gedruckt werden können. Ein Artikel zu dieser Arbeit wurde kürzlich im Journal of Medical Devices veröffentlicht.

Gegenwärtig stehen dem Organdruck zwei große Hürden im Weg. Da lebende Zellen und funktionierende Organe zum Überleben spezielle Temperatur- und chemische Bedingungen erfordern, verschlechtern sich die Zellen beim eigentlichen 3D-Druck eines großen Organs, da der Prozess zu langsam ist. Und selbst wenn das Organ in 3D gedruckt werden kann, erfordert die Logistik des Transports eine Lagerung, die für Transplantate schon immer ein Engpass war.

Um den Zelltod während des 3D-Drucks eines Organs zu minimieren, haben die Berkeley-Forscher eine Technik entwickelt, bei der Parallelisierung verwendet wird, bei der mehrere Drucker gleichzeitig 2D-Gewebeschichten erzeugen. Diese 2D-Ebenen werden dann Schicht für Schicht gestapelt, um 3D-Strukturen zu bilden.

Um das Lagerungsproblem dieser hergestellten Organe zu überwinden, stützte sich das Team auf sieben Jahrzehnte Wissen und Techniken, um einzelne Zellen zu erhalten. Ihre Technik friert jede 2D-Schicht unmittelbar nach dem Zusammenfügen in die 3D-Struktur ein. Dieser Vorgang des Einfrierens einer einzelnen Zellschicht bietet optimale Bedingungen, um den Einfrier-, Lagerungs- und Transportprozess zu überleben.

„Bioprinting wird derzeit hauptsächlich zur Erzeugung eines kleinen Gewebevolumens verwendet. Das Problem beim 3D-Bioprinting ist, dass es ein sehr langsamer Prozess ist, sodass Sie keine großen Druckvorgänge durchführen können, da die biologischen Materialien mit der Zeit abnehmen. Eine unserer Innovationen ist, dass wir das Material während des Druckens einfrieren, so dass das biologische Material erhalten bleibt und wir die Gefriergeschwindigkeit kontrollieren können“, sagte Boris Rubinsky, Professor für Maschinenbau und Mitautor der Zeitung.

Rubinsky bemerkte auch, dass sein Team die Produktion erheblich beschleunigte, indem es zunächst Gewebe in 2D druckte und sie dann an einer anderen Station zu einem 3D-Objekt zusammenfügte. Nachdem die Fertigungslinie der Bioprinters parallel mehrere 2D-Gewebeschichten erstellt hat, nimmt ein Roboterarm – unterstützt von einem Master of Engineering-Studenten – die Schicht auf und trägt sie zu einer anderen Station. Dort werden die Gewebe zu einem 3D-Objekt gestapelt und durch Einfrieren verschmolzen.

“Da jede Schicht zu einer 3D-Struktur gestapelt ist, haben wir als eine der Innovationen die 3D-Struktur in ein tiefkaltes Bad getaucht, um sie einzufrieren, anstatt das Bad für jede Schicht auffüllen zu müssen”, sagte Joseph Sahyoun (Meng ’18, ME) und Co-Autor der Zeitung. “Mit dieser Methode konnten wir die Gefrierrate genauer steuern.”

Eine weitere potenzielle Anwendung dieser Technologie sind neben Organen auch Lebensmittel. Schicht für Schicht drucken und zusammenbauen ermöglicht es Herstellern, verschiedene Texturen von Lebensmitteln zu erkunden. Es ermöglicht ihnen auch, Nahrungsmittel zu entwickeln, die auf die Bedürfnisse von Kranken eingehen.

„Dysphagie ist in der geriatrischen Bevölkerung sehr verbreitet. Da diese Patienten Schwierigkeiten beim Schlucken haben, erhalten sie Nahrung, die im Grunde genommen Brei ist, und sie haben keinen Appetit, und das Problem verschlimmert sich“, sagte Rubinsky. „Aber wenn Sie Lebensmittel mit Textur herstellen können, kann dies appetitlicher sein. Wenn sie dann kauen, wird das Essen in ihrem Mund schmelzen, damit sie schlucken und die Nährstoffe bekommen können. Unsere Technologie ermöglicht es Ihnen, dies mit jeder Art von Lebensmitteln zu tun.“

Er stellt fest, dass die Technologie auch die Entwicklung einer industriellen Fertigung von Tiefkühlkost ermöglicht, bei der die Struktur der Eiskristalle in der Nahrung in der einzelnen Zellschicht im gesamten Erzeugnis sorgfältig kontrolliert wird.

“Dies ist wichtig, weil die Größe der Eiskristalle und die Homogenität der Eiskristalle ein zentrales Element für die Qualität der Tiefkühlkost sind”, sagte Rubinsky.

Obwohl das Konzept, dünne Schichten zu einem 3D-Objekt zu stapeln, nicht neu in der Fertigung ist, ist es neuartig, biologische Materialien zu verwenden.

“Es gibt einen großen Unterschied zwischen Materialien, die in herkömmlichen Laminierungen verwendet werden – wie Papier, Kunststoffen, Keramik und Metallen -, die sogar in dünnen Schichten starr sind, und biologischen Materialien, die zum größten Teil aus Flüssigkeiten bestehen, die viel weniger sind.”, Sagte Gideon Ukpai, a Doktorand in Rubinskys Labor und Hauptautor der Zeitung.“

Das Team verwendete also vernünftig entworfene hydrophile und hydrophobe starre Oberflächen, auf denen die 2D-Schichten gedruckt werden. Diese speziell entwickelten Ebenen ermöglichen den Transport der 2D-Ebenen über Entfernungen unabhängig von der Richtung der Schwerkraft, um sie auf einem 3D-Objekt zu platzieren.

Neben der Forschung diente Ukpai auch als Mentor für die Studenten der Ingenieurwissenschaften, die alle auf dem Papier als Co-Autoren aufgeführt sind. Für zukünftige Forschungen werden Ukpai und eine neue Gruppe von Meistern von Ingenieursstudenten des Fung Institute daran arbeiten, diesen Prozess besser zu optimieren, die Produkte zu charakterisieren und die geeigneten Szenarien zu bestimmen, die die meisten Vorteile bieten.