US-Forscher sind dem 3D-Druck von menschlichen Organen einen Schritt näher gekommen

Es mag noch Jahrzehnte dauern, bis menschliche Organe erfolgreich mit 3D-Technologie gedruckt und transplantiert werden können. Forscher der Missouri S&T sind dem Vorhaben einen Schritt näher gekommen.

“Wir haben ein neuartiges Nanomaterial entwickelt, das für den 3D-Druck verwendet werden kann”, sagt Dr. Anthony Convertine, Roberta und G. Robert Couch Assistant Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der S&T. “Dieses neue Nanomaterial wird direkt in Wasser synthetisiert, ohne dass giftige organische Lösungsmittel verwendet werden müssen.”

Die Technologie von Convertine soll den 3D-Druck schneller, einfacher und genauer machen. Er sagt, dass die derzeitigen Methoden teuer sind und nur den Druck kleiner Mengen von Gewebe ermöglichen.

“Dieses Verfahren sollte eine Welt der Möglichkeiten eröffnen, und Missouri S&T wird weiterhin führend im Bereich der biomedizinischen Technik sein”, sagt er. “Diese neuen Materialien verfestigen sich schnell, wenn sie Licht ausgesetzt werden, und sind daher ideal für den 3D-Druck von Zellen, die Biotinten enthalten”, erklärt er. “Dieser Prozess ist viel schneller und einfacher als die bisherigen Formulierungen von Biotinten und zudem umweltfreundlicher.”

Laut Convertine ist die Entwicklung dieser Methode ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Druck großer Gewebeproben, die für verschiedene Zwecke verwendet werden könnten.

“Unser Interesse gilt dem 3D-Druck von Gerüsten für die Gewebezüchtung”, sagt er. “Es handelt sich um komplexe Gewebe, die dank unseres besseren und genaueren Verfahrens für diese Arbeit wachsen können.”

Mit dem Verfahren von Convertine werden die Gewebe in separaten Ebenen gedruckt, und auch Kapillaren werden mit einbezogen. Anschließend können die entwickelten Gewebe, die so genannten Gewebepixel, zu immer größeren Proben zusammengesetzt werden.

Zu den unmittelbaren Anwendungen dieser Entwicklung gehören die Wundheilung und die Schaffung neuer vaskularisierter Gewebe für Traumapatienten.

Andere Möglichkeiten für diese Technologie reichen von der Verwendung der gedruckten Nanopartikel zur gezielteren Verabreichung von Chemotherapie an Krebspatienten bis hin zur Behandlung von Patienten mit traumatischen Hirnverletzungen, indem die Nanopartikel die Schädigung der Hirnzellen auf den ursprünglichen Bereich beschränken und sich nicht ausbreiten.

Convertine und sein Team stellten ihre Arbeit kürzlich in der Zeitschrift Polymer Chemistry in einem Artikel mit dem Titel “One pot synthesis of thiol-functional nanoparticles” vor. Der Artikel wurde auf dem Titelblatt der März-Ausgabe 2023 der Zeitschrift mit einer von Convertine zur Verfügung gestellten Grafik abgebildet.

Er sagt, dies zeige, dass die Herausgeber und Gutachter der Zeitschrift den Wert und die potenziellen Auswirkungen seiner Forschung erkannt hätten.

“Das ist eine Ehre, die mir sehr viel bedeutet”, sagt er. “Dies ist eine meiner Lieblingszeitschriften. Führende Persönlichkeiten, die ich auf diesem Gebiet respektiere, sind regelmäßig darin vertreten.

Laut Convertine zeichnet sich seine Arbeit dadurch aus, dass die Nanopartikel in Wasser hergestellt werden, keine anderen Lösungsmittel benötigen und keine anderen Nebenprodukte erzeugen. Außerdem stellte das Forschungsteam fest, dass die gedruckten Materialien durch die Verwendung von Thiol als Reagenz viel schneller aushärten. Sauerstoff würde diesen Prozess normalerweise verlangsamen, aber Thiol kann dem entgegenwirken.

Die von Convertine hergestellten Nanopartikel sind auch deshalb einzigartig, weil sie sowohl Eigenschaften von Glas als auch von Polymermaterialien aufweisen.

“Ich habe im Laufe der Jahre sowohl auf dem Gebiet des Glases als auch der Polymere geforscht und sah das Potenzial für eine gewisse Überschneidung”, sagt er. “Es ist uns gelungen, diese beiden komplexen Materialtypen auf einfache, aber wirkungsvolle Weise miteinander zu verbinden. Der Kern des Materials ist ähnlich wie Glas, während die Korona der Partikel aus Polymeren besteht”.

Die Forscher von Missouri S&T sind seit langem für ihre Forschungen zur Verwendung von Glasmaterialien bei der Behandlung von Krankheiten bekannt. Dr. Delbert Days Arbeit mit radioaktiven Glasmikrokugeln zur Behandlung von Krebs ist weltberühmt, und auch Dr. Richard Brow hat die Erforschung von Glas für biomedizinische Anwendungen mitgeprägt. Convertine sagt, dass er bei seinen Überlegungen zu diesem neuen Ansatz auch an die Arbeit an der S&T gedacht hat, und er freut sich darauf zu sehen, wie sich seine Forschung in Zukunft auf das Gebiet auswirken wird.

Gemeinsam mit Convertine arbeiteten Aaron Priester und Jimmy Yeng, beide Doktoranden der Materialwissenschaften, sowie Krista Hilmas, die kürzlich ihren Abschluss in Keramiktechnik gemacht hat, an dem Projekt.

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