Ein Pflaster für das Herz? Ein neues 3D-Druckverfahren macht dies und vieles mehr möglich

Ein Forscheungsteam der CU Boulder und der Universität Pennsylvania hat einen wichtigen Fortschritt bei der Entwicklung lebensähnlicher Materialien erzielt, die menschliche Körperteile ersetzen und reparieren können. Sie haben eine neue Methode zum 3D-Druck entwickelt, die Materialien schafft, die gleichzeitig elastisch genug sind, um das kontinuierliche Schlagen des Herzens zu überstehen, robust genug, um die Belastung der Gelenke zu tragen, und leicht formbar, um sich den einzigartigen Defekten eines Patienten anzupassen.

Das neu entwickelte Verfahren, das in der Fachzeitschrift Science vorgestellt wurde, ermöglicht die Herstellung von Materialien, die sich ideal an die Form und Belastung menschlicher Gewebe anpassen können. Diese Materialien sind nicht nur stark genug, um das Gewicht von Gelenken zu tragen, sondern auch elastisch genug, um die konstante Bewegung des Herzens zu überstehen. Diese Eigenschaften sind entscheidend für die Anwendung im medizinischen Bereich, wo Flexibilität und Festigkeit gleichzeitig gefordert sind.

“Herz- und Knorpelgewebe sind sich insofern ähnlich, als sie nur eine sehr begrenzte Fähigkeit zur Selbstreparatur haben. Wenn sie geschädigt sind, gibt es kein Zurück mehr”, sagte der Hauptautor Jason Burdick, Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen am BioFrontiers Institute der CU Boulder. “Durch die Entwicklung neuer, widerstandsfähigerer Materialien, die diesen Reparaturprozess verbessern, können wir für die Patienten viel bewirken.”

Eine der wesentlichen Innovationen der Studie ist die Entwicklung eines neuen 3D-Druckverfahrens namens CLEAR (Continuous-curing after Light Exposure Aided by Redox initiation). Dieses Verfahren ermöglicht die Erzeugung von molekularen Strukturen, die sich ähnlich wie ineinander verwobene Ketten verhalten, was zu einer erheblich höheren Festigkeit und Elastizität führt. Diese Struktur erinnert an die “Wurmblobs”, bei denen sich Würmer in einem dreidimensionalen Raum verflechten und sowohl feste als auch flüssige Eigenschaften zeigen.

Die Forschenden testeten das neue Material in verschiedenen Belastungsszenarien und stellten fest, dass es deutlich widerstandsfähiger ist als herkömmliche 3D-gedruckte Materialien. Ein bemerkenswerter Test bestand darin, das Material mit einem Fahrrad zu überfahren, ohne dass es dabei beschädigt wurde. Zudem haftete das neue Material gut an tierischem Gewebe, was seine potenzielle Eignung für medizinische Anwendungen unterstreicht.

“Wir können jetzt Klebematerialien in 3D drucken, die stark genug sind, um das Gewebe mechanisch zu stützen”, sagt Matt Davidson, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Burdick-Labor, einer der Erstautoren. “Das war uns bisher nicht möglich.”

Diese Materialien könnten in Zukunft verwendet werden, um Defekte im Herzen zu reparieren, Medikamente direkt an Organe zu liefern oder sogar Bandscheiben zu stützen, ohne dabei das umliegende Gewebe zu schädigen.

Neben den medizinischen Anwendungen könnte die neue Methode auch Auswirkungen auf andere Bereiche wie die Forschung und die Fertigung haben. Die Technologie benötigt keine zusätzliche Energie zur Härtung der Teile, was den 3D-Druckprozess umweltfreundlicher macht.

“Dies ist eine einfache 3D-Bearbeitungsmethode, die letztlich sowohl in den eigenen akademischen Labors als auch in der Industrie eingesetzt werden könnte, um die mechanischen Eigenschaften von Materialien für eine Vielzahl von Anwendungen zu verbessern”, so Erstautor Abhishek Dhand, Forscher im Burdick-Labor und Doktorand in der Abteilung für Bioengineering an der University of Pennsylvania. “Es löst ein großes Problem für den 3D-Druck.”

Zusammenfassend zeigt diese Forschung, dass der 3D-Druck das Potenzial hat, die Herstellung und Anwendung von Materialien in der Medizin grundlegend zu verändern und den Weg für neue Behandlungs- und Reparaturmethoden zu ebnen.