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Schicht für Schicht drucken die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Flüssigkeiten, bestehend aus Biopolymeren wie Gelatine oder Hyaluronsäure, wässrigem Nährmedium und lebenden Zellen, bis ein 3D-Objekt entstanden ist, dessen Form zuvor programmiert wurde. Diese Biotinten bleiben während des Drucks fließfähig, danach werden sie mit UV-Licht bestrahlt, wobei sie zu Hydrogelen, sprich wasserhaltigen Polymernetzwerken, vernetzen. Biomoleküle gezielt chemisch modifizieren Die Biomoleküle lassen sich gezielt chemisch modifizieren, sodass die resultierenden Gele unterschiedliche Festigkeiten und Quellbarkeiten aufweisen. Somit können Eigenschaften von natürlichen Geweben nachgebildet werden – von festem Knorpel bis hin zu weichem Fettgewebe. Wissenschaftler biologisches gewebe navigieren. Das Spektrum an einstellbarer Viskosität ist breit. "Bei 21 Grad Raumtemperatur ist Gelatine fest wie ein Wackelpudding – so kann sie nicht gedruckt werden. Damit dies nicht passiert und wir sie unabhängig von der Temperatur prozessieren können, maskieren wir die Seitenketten der Biomoleküle, die dafür zuständig sind, dass die Gelatine geliert", erläutert Dr. Achim Weber, Leiter der Gruppe "Partikuläre Systeme und Formulierungen", eine der Herausforderungen des Verfahrens.
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»Die beste künstliche Umgebung für die Zellen ist die, die den natürlichen Bedingungen im Körper möglichst nahekommt. Die Aufgabe der Gewebematrix übernehmen in unseren gedruckten Geweben daher Biomaterialien, die wir aus Bestandteilen der natürlichen Gewebematrix herstellen«, erklärt die Wissenschaftlerin. Die Vaskularisierungstinte bildet weiche Gele, in der sich Kapillarstrukturen etablieren konnten. Hierbei werden Zellen, die Blutgefäße bilden, in die Tinten eingebracht. Die Zellen bewegen sich, wandern aufeinander zu und formen Anlagen von Kapillarnetzwerken aus kleinen röhrenförmigen Gebilden. Würde dieser Knochenersatz implantiert, so würde der Anschluss des biologischen Implantats an das Blutgefäßsystem des Empfängers wesentlich schneller funktionieren als bei Implantaten ohne kapillarähnliche Vorstrukturen, wie in der Literatur nachzulesen ist. »Ohne Vaskularisierungstinte ist erfolgreicher 3D-Druck von größeren Gewebestrukturen vermutlich nicht möglich«, sagt Weber. Biologische Labor-Wissenschaftler entwickelt neue bildgebende Methode – AngewandteBiologiScheneueMedizin. Jüngstes Forschungsprojekt des Stuttgarter Forscherteams ist die Entwicklung von Matrices für die Regeneration von Knorpel.
Die Medizin der Zukunft ist biologisch: Zerstörtes Gewebe wird künftig durch biologisch funktionelles Gewebe aus dem 3D-Drucker ersetzt. Ein Forscherteam des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB entwickelt und optimiert seit Jahren in Kooperation mit der Universität Stuttgart Biotinten, die sich für die additive Fertigung eignen. Wissenschaftler biologisches gewebe hochwertige fahrradgarage plane. Indem die Forscherinnen und Forscher die Zusammensetzung des Biomaterials variieren, können sie ihr Portfolio um Knochen- und Vaskularisierungstinten erweitern. Damit haben sie Grundlagen für die Herstellung knochenartiger Gewebestrukturen mit Anlagen zu Kapillarnetzwerken erarbeitet. Der 3D-Druck hat nicht nur in der Produktion Einzug gehalten, auch in der regenerativen Medizin gewinnt er zunehmend an Bedeutung: Mittels 3D-Druck lassen sich maßgeschneiderte bioverträgliche Gewebegerüste erzeugen, die in Zukunft irreparabel geschädigtes Gewebe ersetzen sollen. Auch am Fraunhofer IGB in Stuttgart arbeitet ein Forscherteam daran, biologische Implantate per 3D-Druckverfahren im Labor herzustellen.
Zum Inhalt springen Dr. Kirsten Borchers justiert die Druckdüse. Bild: © Fraunhofer IGB Die Medizin der Zukunft ist biologisch: Zerstörtes Gewebe wird künftig durch biologisch funktionelles Gewebe aus dem 3D-Drucker ersetzt. Für immer jung? Dieses Wasser verlangsamt biologische Prozesse - WELT. Ein Forscherteam des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB entwickelt und optimiert seit Jahren in Kooperation mit der Universität Stuttgart Biotinten, die sich für die additive Fertigung eignen. Indem die Forscherinnen und Forscher die Zusammensetzung des Biomaterials variieren, können sie ihr Portfolio um Knochen- und Vaskularisierungstinten erweitern. Damit haben sie Grundlagen für die Herstellung knochenartiger Gewebestrukturen mit Anlagen zu Kapillarnetzwerken erarbeitet. Der 3D-Druck hat nicht nur in der Produktion Einzug gehalten, auch in der regenerativen Medizin gewinnt er zunehmend an Bedeutung: Mittels 3D-Druck lassen sich maßgeschneiderte bioverträgliche Gewebegerüste erzeugen, die in Zukunft irreparabel geschädigtes Gewebe ersetzen sollen.
Dazu kommt, dass mit zunehmender Anzahl an Parametern die Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Geweben immer schwieriger wird. Daher haben wir uns das AQLV-Modell noch einmal genauer angeschaut. " Und tatsächlich gelang es dem Team in einer aufwendigen experimentellen Arbeit, die für das Modell notwendigen Parameter drastisch zu reduzieren. So wird im ursprünglichen Modell das zu untersuchende Gewebe (mathematisch) in 3 Schichten aufgeteilt, die es zu berechnen gilt. Dazu sind zur Kalibrierung 4 Belastungsexperimente (incremental ramp-holding) notwendig. "In der Praxis müssen so insgesamt 19 Parameter kalkuliert werden, um das Modell richtig einzustellen", meint Prof. Pahr. "Das haben wir auf 8 reduzieren können, was eine Zeitersparnis von 50% bei den Experimenten erlaubt. " Exzellente Experimente Durchgeführt wurden die Studien an Schweinemuskel und -leber, die als experimentelle Modelle etabliert sind. Wissenschaftler biologisches gewebe grau. Dem Team kam dabei auch das exzellent ausgestattete Biomechanik-Labor der KL (Core Facility am Campus Krems) zugute, das sich in vielen verschiedenen Forschungsprojekten mit den materiellen Eigenschaften von biologischen Geweben befasst.
Problematisch bei allen Implantaten und Prothesen ist, dass selbst in klinischer Umgebung bakterielle Verunreinigungen nicht zu vermeiden sind. Können sich die Bakterien in hohem Ausmaß auf dem Implantat festsetzen und ausbreiten, kommt es zur einer Infektion, was eine Abstoßung des Implantats und seine operative Entfernung zur Folge haben kann – oder zu der Bildung eines bakteriellen Biofilms. Antibiotika sind in diesem Fall kaum wirksam, da zur Entfernung derartiger Biofilme Dosen bis zum 200-fachen der normalen Antibiotikakonzentration nötig wären. Auch in diesem Bereich ist noch viel Forschung nötig, um das Infektionsrisiko zu senken. Und bei Gelenkprothesen spielt nicht zuletzt auch der Verschleiß eine große Rolle, so dass es eine große Herausforderung ist, länger haltbare Prothesen zu entwickeln. Weitere Herausforderungen sind die Entwicklung maßgeschneiderter Biomaterialien für den Medikamententransport, die Abbaubarkeit von Implantaten und komplexe Gerüststrukturen mit Blutgefäßneubildung sowie der hierarchische Aufbau eines künstlich hergestellten Gewebes.
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