Was ist Bioprinting?

Bioprinting, eine Art 3D-Druck, verwendet Zellen und andere biologische Materialien als „Tinten“, um biologische 3D-Strukturen herzustellen. Bioprinted-Materialien können möglicherweise beschädigte Organe, Zellen und Gewebe im menschlichen Körper reparieren. In Zukunft könnten mit dem Bioprint ganze Organe von Grund auf neu aufgebaut werden - eine Möglichkeit, die das Gebiet des Bioprinting verändern könnte.

Materialien, die mit Bioprint bedruckt werden können

Forscher haben das Bioprinting vieler verschiedener Zelltypen untersucht, einschließlich Stammzellen, Muskelzellen und Endothelzellen. Mehrere Faktoren bestimmen, ob ein Material mit Bioprint bedruckt werden kann oder nicht. Erstens müssen die biologischen Materialien mit den Materialien in der Tinte und im Drucker selbst biokompatibel sein. Darüber hinaus beeinflussen auch die mechanischen Eigenschaften der gedruckten Struktur sowie die Zeit, die das Organ oder Gewebe benötigt, um zu reifen, den Prozess.

Bioinks fallen normalerweise in eine von zwei Arten:

Gele auf Wasserbasis, oder Hydrogele, fungieren als 3D-Strukturen, in denen Zellen gedeihen können. Hydrogele, die Zellen enthalten, werden in definierte Formen gedruckt, und die Polymere in den Hydrogelen werden miteinander verbunden oder "vernetzt", so dass das gedruckte Gel fester wird. Diese Polymere können natürlich abgeleitet oder synthetisch sein, sollten jedoch mit den Zellen kompatibel sein.
Aggregate von Zellen die nach dem Druck spontan zu Geweben verschmelzen.

So funktioniert Bioprinting

Das Bioprint-Verfahren weist viele Ähnlichkeiten mit dem 3D-Druckverfahren auf. Das Bioprinting gliedert sich in der Regel in folgende Schritte:

Vorverarbeitung: Es wird ein 3D-Modell erstellt, das auf einer digitalen Rekonstruktion des zu bioprintenden Organs oder Gewebes basiert. Diese Rekonstruktion kann auf der Grundlage von Bildern erstellt werden, die nicht-invasiv (z. B. mit einer MRT) oder durch einen invasiveren Prozess, wie z. B. eine Reihe von zweidimensionalen Schnitten, die mit Röntgenstrahlen abgebildet werden, aufgenommen wurden.
wird bearbeitet: Das Gewebe oder Organ, das auf dem 3D-Modell in der Vorverarbeitungsphase basiert, wird gedruckt. Wie bei anderen Arten des 3D-Drucks werden Materialschichten nacheinander addiert, um das Material zu drucken.
Nachbearbeitung: Notwendige Verfahren werden durchgeführt, um den Druck in ein funktionelles Organ oder Gewebe umzuwandeln. Diese Verfahren können das Platzieren des Drucks in einer speziellen Kammer umfassen, die dazu beiträgt, dass die Zellen richtig und schneller reifen.

Arten von Bioprintern

Wie bei anderen Arten des 3D-Drucks können Bio-Links auf verschiedene Arten gedruckt werden. Jede Methode hat ihre eigenen Vor- und Nachteile.

Inkjet-basiertes Bioprinting verhält sich ähnlich wie ein Office-Tintenstrahldrucker. Wenn ein Design mit einem Tintenstrahldrucker gedruckt wird, wird Tinte durch viele winzige Düsen auf das Papier geschossen. Dies erzeugt ein Bild aus vielen Tröpfchen, die so klein sind, dass sie für das Auge nicht sichtbar sind. Die Forscher haben den Tintenstrahldruck für das Bioprinting angepasst, einschließlich Methoden, die Wärme oder Vibration verwenden, um Tinte durch die Düsen zu drücken. Diese Bioprinter sind günstiger als andere Techniken, beschränken sich jedoch auf niedrigviskose Bioink, was wiederum die Art der Materialien einschränken kann, die gedruckt werden können.
Laserunterstützt Bioprinting Bewegt mithilfe eines Lasers Zellen aus einer Lösung mit hoher Präzision auf eine Oberfläche. Der Laser erwärmt einen Teil der Lösung, erzeugt eine Luftblase und verschiebt die Zellen in Richtung einer Oberfläche. Da für diese Technik keine kleinen Düsen wie beim Inkjet-Bioprint erforderlich sind, können höherviskose Materialien verwendet werden, die nicht leicht durch die Düsen fließen können. Das laserunterstützte Bioprinting ermöglicht auch das Drucken mit sehr hoher Präzision. Die Hitze des Lasers kann jedoch die zu druckenden Zellen beschädigen. Darüber hinaus kann die Technik nicht einfach "vergrößert" werden, um Strukturen in großen Mengen schnell zu drucken.
Extrusionsbasiertes Bioprinting Mit Druck wird Material aus einer Düse gedrückt, um feste Formen zu erzeugen. Diese Methode ist relativ vielseitig: Durch Einstellen des Drucks können Biomaterialien mit unterschiedlichen Viskositäten gedruckt werden, wobei jedoch Vorsicht geboten ist, da höhere Drücke die Zellen mit größerer Wahrscheinlichkeit beschädigen. Extrusionsbasiertes Bioprinting kann wahrscheinlich für die Herstellung skaliert werden, ist jedoch möglicherweise nicht so präzise wie andere Techniken.
Elektrospray- und Elektrospinning-Bioprinter Nutzen Sie elektrische Felder, um Tröpfchen bzw. Fasern zu erzeugen. Diese Methoden können eine Genauigkeit von bis zu Nanometern aufweisen. Sie verwenden jedoch eine sehr hohe Spannung, die für Zellen möglicherweise unsicher ist.

Anwendungen des Bioprintings

Da das Bioprinting den präzisen Aufbau biologischer Strukturen ermöglicht, kann die Technik in der Biomedizin viele Anwendungen finden. Forscher haben Bioprinting verwendet, um Zellen einzuführen, die bei der Reparatur des Herzens nach einem Herzinfarkt helfen, und um Zellen in verletzter Haut oder Knorpel abzulagern. Bioprinting wurde verwendet, um Herzklappen für den möglichen Einsatz bei Patienten mit Herzerkrankungen herzustellen, Muskel- und Knochengewebe aufzubauen und die Reparatur von Nerven zu unterstützen.

Zwar muss noch mehr Arbeit geleistet werden, um zu bestimmen, wie sich diese Ergebnisse in einem klinischen Umfeld auswirken würden, doch die Forschung zeigt, dass Bioprinting zur Regeneration des Gewebes während einer Operation oder nach einer Verletzung eingesetzt werden könnte. Mit Hilfe von Bioprintern könnten künftig auch ganze Organe wie Lebern oder Herzen von Grund auf neu hergestellt und bei Organtransplantationen eingesetzt werden.

4D-Bioprinting

Zusätzlich zum 3D-Bioprinting haben einige Gruppen auch das 4D-Bioprinting untersucht, das die vierte Dimension der Zeit berücksichtigt. 4D-Bioprinting basiert auf der Idee, dass sich die gedruckten 3D-Strukturen auch nach dem Drucken im Laufe der Zeit weiterentwickeln können. Die Strukturen können daher ihre Form und / oder Funktion ändern, wenn sie dem richtigen Reiz ausgesetzt werden, wie z. B. Wärme. 4D-Bioprinting kann in biomedizinischen Bereichen eingesetzt werden, z. B. beim Herstellen von Blutgefäßen, indem ausgenutzt wird, wie sich einige biologische Konstrukte falten und rollen.

Die Zukunft

Obwohl Bioprinting in Zukunft viele Menschenleben retten kann, sind noch einige Herausforderungen zu bewältigen. Beispielsweise können die gedruckten Strukturen schwach sein und ihre Form nicht beibehalten, nachdem sie an die geeignete Stelle auf dem Körper übertragen wurden. Darüber hinaus sind Gewebe und Organe komplex und enthalten viele verschiedene Arten von Zellen, die sehr genau angeordnet sind. Aktuelle Drucktechnologien sind möglicherweise nicht in der Lage, solch komplexe Architekturen zu replizieren.

Schließlich sind bestehende Techniken auch auf bestimmte Arten von Materialien, einen begrenzten Viskositätsbereich und eine begrenzte Präzision beschränkt. Jede Technik kann die Zellen und andere zu druckende Materialien beschädigen. Diese Probleme werden angegangen, wenn die Forscher den Bioprint weiterentwickeln, um immer schwierigere technische und medizinische Probleme anzugehen.

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