Bioprinting: Was es ist und wie es in der Medizin eingesetzt wird

Bioprinting (auch 3D-Bioprinting genannt) ist eine Kombination aus 3D-Druck mit Biomaterialien, um Teile nachzubilden, die natürliche Gewebe, Knochen und Blutgefäße im Körper imitieren. Es wird vor allem im Zusammenhang mit der Arzneimittelforschung und neuerdings auch als Zellgerüst zur Reparatur geschädigter Bänder und Gelenke eingesetzt. Bioprinting wird in der Medizin seit etwa 2007 eingesetzt und dient dazu, nahezu jedes Gewebe, jeden Knorpel und jedes Organ im Körper zu untersuchen oder nachzubilden.

Wie Bioprinting funktioniert

Ein 3D-Drucker ist in der Lage, allem, was er druckt, Tiefe zu verleihen, und ein Biodrucker erreicht dies, indem er Biomaterialien wie lebende Zellen, synthetischen Kleber und Kollagengerüste in Schichten verteilt, um ein Objekt zu schaffen. Dieser Prozess wird als additive Fertigung bezeichnet – die dem Drucker zugeführten Materialien verfestigen sich beim Austritt und erzeugen ein 3D-Objekt.

Aber es ist nicht so einfach, Materialien in einen 3D-Drucker einzulegen und einen Knopf zu drücken. Um zur additiven Fertigungsphase zu gelangen, muss der Drucker einen Entwurf erhalten – ein computergeneriertes Bild dessen, was er erstellen möchte. Anschließend werden die Materialien, die Sie für das Objekt verwenden möchten, dem Drucker zugeführt. Der Drucker liest die digitale Datei, die Sie ihm gegeben haben, und druckt die Materialien, die Sie ihm gegeben haben, schichtweise aus, um das gewünschte Objekt nachzubilden. Jede Schicht kühlt ab und haftet aneinander (dank des Kollagens, des Klebers oder in manchen Fällen auch nur der Zellen selbst), wodurch ein festes, stabiles Stück entsteht.

Um die lebenden Zellen (allgemein als Biotinte bezeichnet) dazu zu bringen, in einen Biodrucker einzuspeisen, gibt es eine Reihe von Möglichkeiten, die Forscher einschlagen können. Erstens können sie direkt von dem Patienten entnommen werden, für den sie bioprinted werden. Wenn sie zu Forschungszwecken verwendet werden oder wenn die eigenen Zellen eines Patienten nicht verwendet werden können, können adulte Stammzellen verwendet werden, da sie für den Zelltyp manipuliert werden können, der für das Bioprinting zur Wiederherstellung von Gewebe benötigt wird.

Bioprinting auf einem Chip

Derzeit wird 3D-Bioprinting in Wissenschaft und Medizin unter anderem zum Testen der regenerativen Medizin eingesetzt. Am Wyss Institute in Harvard haben Forscher einen 3D-Biodrucker entwickelt, der vaskularisierte Gewebe lebender menschlicher Zellen erzeugen kann, die auf einen Chip gedruckt werden. Sie verwenden dieses Gewebe auf einem Chip, um es mit einem Gefäßkanal zu verbinden, wodurch Forscher dem Gewebe Nährstoffe zuführen können, um Wachstum und Entwicklung zu überwachen.

Die Fähigkeit, Gewebe auf einem Chip wachsen zu lassen, hilft Forschern bei der Untersuchung neuer Techniken in der regenerativen Medizin sowie bei Arzneimitteltests. Durch den Einsatz eines 3D-Biodruckers können Forscher auch verschiedene Methoden zur Herstellung von Chips untersuchen. Eine Errungenschaft bestand darin, ein Herz auf einem Chip mit Sensoren für Forschungs- und Datenerfassungszwecke zu schaffen. Möglicherweise waren zuvor Tierversuche oder andere Maßnahmen erforderlich.

Bioprinting und Knochentransplantationen

Wenn es um die Ausübung der Medizin geht, gibt es bei der Herstellung biogedruckter Organe, die auf die menschliche Größe skaliert werden, noch viel zu lernen und zu testen. Es werden jedoch erhebliche Fortschritte erzielt, beispielsweise im Bereich der Knochentransplantation zur Behebung von Problemen mit Knochen und den sie umgebenden Gelenken.

Der bemerkenswerteste Fortschritt kommt von Forschern der Swansea University in Wales. Die Bioprinter des Teams können aus einem regenerativen und haltbaren Material künstliche Knochenmaterialien in bestimmten benötigten Formen herstellen. Forscher der AMBER Science Foundation Ireland und des Trinity College in Dublin, Irland, haben ein Verfahren zur Unterstützung des 3D-Biodrucks von Knochenmaterial entwickelt, um bei Defekten zu helfen, die durch Tumorresektionen , Traumata und Infektionen sowie genetische Knochendeformationen verursacht wurden.

Auch die Universität Nottingham in England hat auf diesem Gebiet der Medizin Fortschritte gemacht, indem sie eine Kopie des Knochens, den sie ersetzen soll, bioprinting und mit Stammzellen beschichtet. Das Gerüst wird im Inneren des Körpers platziert. Im Laufe der Zeit wird er mit Hilfe der Stammzellen vollständig durch neuen Knochen ersetzt.

Bioprinting und regenerierende Haut und Gewebe

Die Haut ist ein erfolgreicher Bereich der Medizin für das Bioprinting, da die Maschine beim Drucken Schichten bilden kann. Da es sich bei der Haut um ein mehrschichtiges Organ handelt, das aus verschiedenen Zellen in jeder Schicht besteht, hoffen die Forscher, dass Bioprinting im Laufe der Zeit dazu beitragen kann, Hautschichten wie Dermis und Epidermis zu reproduzieren .

Forscher der Wake Forest School of Medicine in North Carolina untersuchen dies genau, wenn es um Verbrennungsopfer geht, die nicht genügend unbeschädigte Haut zur Entnahme haben, um bei der Wundversorgung und -heilung zu helfen. In diesem Fall würde der Bioprinter die Wundinformationen des Patienten von einem Scanner erhalten (einschließlich Tiefe und benötigter Zelltypen), um dabei zu helfen, neue Haut zu erzeugen , die dann am Patienten verwendet werden könnte.

An der Pennsylvania State University arbeiten Forscher an 3D-Bioprinting, mit dem Knorpel hergestellt werden kann, der bei der Reparatur von Gewebe in den Knien und anderen Bereichen hilft, die häufig durch Abnutzung im Körper abgenutzt werden, sowie von Haut und anderen Geweben des Nervensystems, die für die Organgesundheit wichtig sind .

Bioprinting von Blutgefäßen

Die Möglichkeit, Blutgefäße mithilfe eines Biodruckers nachzubilden, ist nicht nur hilfreich, um sie direkt in einen Patienten transplantieren zu können, sondern auch für Arzneimitteltests und personalisierte Medizin . Forscher am Brigham and Women’s Hospital haben in diesem Bereich der Medizin Fortschritte erzielt, indem sie Agarosefasern gedruckt haben, die als Blutgefäße dienen. Die Forscher fanden heraus, dass diese biogedruckten Blutgefäße stark genug sind, um sich zu bewegen und größere Netzwerke zu bilden, anstatt sich um eine bestehende Struktur herum aufzulösen.

Ein Wort von Verywell

Die Forschung, die sich aus dem Bioprinting ergibt, ist faszinierend, und obwohl es große Fortschritte beim Wissen und bei der Fähigkeit zum Bioprinting von Knochen, Haut, Blutgefäßen, Knorpel und sogar Organen gegeben hat, gibt es vor vielen noch viel mehr Fortschritte zu machen dieser Praktiken werden in die Medizin übernommen.

Einige sind jedoch möglicherweise früher fertig als andere. Im Fall von Bioprinting und Haut hoffen Forscher, dass die Wissenschaft innerhalb von fünf Jahren für Soldaten bereit sein wird, die im Kampf schwere Verbrennungen erleiden. Andere Bereiche des Bioprintings, beispielsweise die Nachbildung von Organen für den menschlichen Gebrauch, haben noch einen weiten Entwicklungsweg vor sich.

Wenn es darum geht, die Prozesse des Körpers nachzuahmen und die Wechselwirkungen bestimmter Medikamente im größeren System des Körpers zu beobachten, hat Bioprinting Türen für die Datenerfassung sowie nicht-invasive Methoden geöffnet, um zu sehen, wie der menschliche Körper mit bestimmten Substanzen interagiert, was dazu führen könnte personalisiertere Medizin für den Patienten und weniger Nebenwirkungen.