Biotinte erleichtert den Nährstofftransport im 3D-Biodruck
Gedrucktes Gewebe hat im 3D-Biodruck ein hartnäckiges Größenproblem. Ab einer Dicke von wenigen hundert Mikrometern erreichen Sauerstoff und Nährstoffe die inneren Zellschichten nicht mehr. Der Kern eines Konstrukts stirbt dann innerhalb weniger Tage ab. Ein Team aus Reutlingen und Darmstadt hat dieses Nadelöhr an der Materialseite angepackt. Beteiligt waren das NMI Naturwissenschaftliche und Medizinische Institut, die TU Darmstadt und die Black Drop Biodrucker GmbH. Ihre Biotinte enthält hauchdünne Kunststofffasern, die im Hydrogel als Transportpfade wirken.
Die Fasern entstehen im Elektrospinnverfahren und messen 5 bis 10 Mikrometer im Durchmesser. Damit liegen sie in der Größenordnung menschlicher Blutkapillaren. In Diffusionsversuchen wanderten Testmoleküle im faserhaltigen Gel über 500 Mikrometer weiter als in der Vergleichsprobe. Die Ergebnisse stehen im Fachjournal Biofabrication. Das Verfahren hat das Team als Hydrogel-Verbundwerkstoff zum Patent angemeldet. Der Gewinn beschränkt sich nicht auf die Versorgung, weil die eingebetteten Fasern das Gel zugleich mechanisch stabiler machen.
Fasern in der Größenordnung von Blutkapillaren
Elektrospinnen erzeugt Fasern, indem eine Polymerlösung in einem starken elektrischen Feld zu einem feinen Faden ausgezogen wird. Für die neue Biotinte verwendeten die Forschenden Polycaprolacton, einen medizinisch erprobten und langsam abbaubaren Kunststoff. Die fertigen Fasern werden auf Längen unter 400 Mikrometer zerkleinert. Eine Plasmabehandlung macht sie benetzbar, bevor sie in das Hydrogel eingerührt werden. Hanna Hartmann vom NMI ordnet die Dimension ein. „Mit 5 bis 10 µm Durchmesser liegen diese Fasern im Bereich von Blutkapillaren“, sagt die Bereichsleiterin.
Überraschend war für das Team, dass die Fasern innen gar nicht hohl sein müssen. Jannik Stadler von der Black Drop Biodrucker GmbH hält genau das für den praktischen Vorteil. Massive Fasern lassen sich einfacher und reproduzierbarer herstellen als Hohlfasern. Die Moleküle bewegen sich entlang der Grenzfläche zwischen Faser und Gel schneller voran als durch das reine Hydrogel. Ein künstliches Kapillarsystem mit offenem Lumen braucht es für diesen Effekt nicht.
Was 3D-Biodruck ist und wofür er gebraucht wird
Beim 3D-Biodruck trägt eine Maschine lebende Zellen zusammen mit einem gelartigen Trägermaterial Schicht für Schicht auf. Dieses Trägermaterial heißt Biotinte und besteht meist aus wasserreichen Hydrogelen wie Gelatine, Alginat oder Agarose. Diese Gele geben den Zellen Halt und lassen gelöste Stoffe durch. Nach dem Druck wird die Struktur vernetzt, häufig mit UV-Licht oder über chemische Reaktionen. Die Zellen sollen anschließend im Konstrukt weiterleben und sich zu funktionsfähigem Gewebe organisieren.
Der Bedarf dahinter ist handfest. Pharmafirmen brauchen menschliche Gewebemodelle, um Wirkstoffe realistischer zu testen als in Zellkulturen auf flachen Kunststoffschalen. Ein zweites Motiv ist die Reduktion von Tierversuchen. In der regenerativen Medizin geht es um Ersatz für geschädigtes Knorpel-, Haut- oder Lebergewebe, langfristig auch um Organvorstufen. Selbst die Lebensmittelbranche arbeitet mit denselben Verfahren, wenn sie kultiviertes Fleisch aus Muskel- und Fettzellen aufbauen will. Alle diese Anwendungen stoßen an dieselbe Grenze, sobald das Gewebe dicker wird.
Warum Nährstoffe im Hydrogel bisher stecken blieben
Im Körper liegt kaum eine Zelle weiter als 200 Mikrometer von der nächsten Blutkapillare entfernt. Ein dichtes Gefäßnetz übernimmt dort die Versorgung. Ein frisch gedrucktes Konstrukt hat dieses Netz nicht und ist auf reine Diffusion angewiesen. Sauerstoff, Zucker und Aminosäuren sickern passiv durch das Gel, ihre Reichweite endet bei einigen hundert Mikrometern. Größere Modelle bekommen einen unterversorgten Kern, der abstirbt, während die Randzonen weiterwachsen.
Für die Messung nutzten die Forschenden Agarose-Gele mit und ohne Fasern. Beobachtet wurde, wie weit fluoreszenzmarkierte Moleküle in zwei Stunden vordringen. Bei kleinen Molekülen von vier Kilodalton legte die Front im faserhaltigen Gel über 500 Mikrometer mehr zurück. Bei sehr großen Molekülen verschwand der Unterschied. Viskosität und Gelierverhalten der Tinte blieben praktisch unverändert. Das Material lässt sich also mit vorhandenen Druckköpfen verarbeiten, was für die Praxis zählt.
Mehr Formtreue und höhere Festigkeit
Neben dem Transport verändert die Faserzugabe auch das Verhalten des Gels im Wasser. Hydrogele quellen nach dem Druck auf, sie nehmen Flüssigkeit auf und verlieren dabei an Formtreue. In den Versuchen fiel die Quellung der faserverstärkten Proben auf 20 bis 60 Prozent des Werts der unverstärkten Kontrolle. Gedruckte Strukturen behalten ihre Maße damit länger. Für passgenaue Implantate und mehrschichtige Gewebemodelle ist das ein handfester Vorteil.
Die mechanische Festigkeit steigt ebenfalls, was Annabelle Neuhäusler von der TU Darmstadt in ihren Messungen zeigen konnte. Für chirurgische Anwendungen zählt dieser Punkt, denn ein Konstrukt muss sich greifen, transportieren und einsetzen lassen, ohne zu zerreißen. Beim Druck richten sich die länglichen Fasern in Fließrichtung aus. Das Material bekommt dadurch in einer Vorzugsrichtung andere Eigenschaften als quer dazu. Solche gerichteten Strukturen kommen echtem Gewebe wie Muskeln oder Sehnen näher, die ebenfalls faserig aufgebaut sind.
Der Weg von der Laborprobe in die Anwendung
Die Arbeit entstand im Projekt NatInk, gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 13XP5177C. Das NMI brachte die Zell- und Materialforschung ein. Die TU Darmstadt steuerte das Wissen aus ihrem Institut für Druckmaschinen und Druckverfahren bei, Black Drop die Drucktechnik. Zellversuche mit menschlichen Endothelzellen und Leberzelllinien ergaben eine Überlebensrate von über 80 Prozent. Die Fasern selbst schaden den Zellen also nicht. Das Verfahren ist als Hydrogel-Verbundwerkstoff zum Patent angemeldet.
Bis zu einer klinischen Anwendung liegt trotzdem ein weiter Weg vor der Technik. Gedruckte Gewebe müssen über Wochen stabil bleiben, sich an ein Gefäßsystem anschließen lassen und regulatorische Hürden nehmen. Erst danach kommen sie im Menschen zum Einsatz. Realistisch näher liegen Gewebemodelle für die Wirkstoffforschung, in denen Substanzen an menschlichen Zellen getestet werden. Auch die Herstellung von kultiviertem Fleisch zählt dazu. Personalisierte Tests mit Zellen einzelner Patienten nennen die Beteiligten ebenfalls als Ziel.
Fazit zur neuen Biotinte im 3D-Biodruck
