Medizintechnik

3D-Drucker kann Knochen mit Blutgefäßen herstellen

Forscher arbeiten an der Herstellung von menschlichen Knochen, die eigene Blutgefäße enthalten. 3D-Druck macht die Durchblutung künstlicher Organe möglich. Solche Organe könnten in wenigen Jahren kommerziell für die Medizin verwendet werden.

Knochen mit eigenen Blutgefäßen könnten künftig mit dem 3D-Drucker hergestellt werden. Freiburger Wissenschaftler entwickeln jetzt ein Druck-Verfahren, das aus Zellen von Knochen und Blutgefäßen funktionsfähige Knochen erzeugt.

Die Herstellung von Knochen mit Blutgefäßen gilt als erster Schritt für die Herstellung komplexer Organe wie Nieren oder Lebern. (Foto: Flickr/ bixentro/CC BY 2.0)

Die Herstellung von Knochen mit Blutgefäßen gilt als erster Schritt für die Herstellung komplexer Organe wie Nieren oder Lebern. (Foto: Flickr/ bixentro/CC BY 2.0)

Die Gefäßzellen sollen die Durchblutung des Gewebes verbessern, indem sie eine Verbindung zum Blutkreislauf des Patienten herstellen. Sollte sich das Verfahren bewähren, könnten damit auch größere Kunstgewebe gedruckt werden, bis hin zu ganzen Organen. Klinische Bedeutung dürften 3D-Zelldrucker nach Ansicht der Wissenschaftler in fünf bis sieben Jahren erlangen.  Für die Entwicklung dieser 3D-Druck-Methode erhalten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine dreijährige Förderung der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) in Höhe von 460.000 Euro.

„Bei der Entwicklung von künstlichem Knochengewebe ist die Frage der Blutversorgung noch immer weitgehend ungelöst. Dadurch ist sowohl die Größe als auch der Typ des Gewebes stark beschränkt“, sagt Günter Finkenzeller, Forschungs-Sektionsleiter an der Klinik für Plastische und Handchirurgie des Universitätsklinikums Freiburg.

Er leitet das Projekt gemeinsam mit Peter Koltay, leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg. Bekannt ist, dass sich die Blutversorgung eines künstlich erzeugten Gewebes durch sogenannte Endothelzellen verbessern lässt. Diese Zellen kleiden die Gefäße aus und können auch selbst neue bilden. Doch bisher stirbt ein Großteil der Knochenzellen aufgrund von Sauerstoffmangel, bevor die Zellen Gefäße gebildet haben.

„Unser Ansatz sieht vor, dass wir die Endothelzellen genauso wie die Knochenzellen per 3D-Druck im Gewebe an die Stelle platzieren, wo sich die Gefäße ausbilden sollen“, sagt Finkenzeller. „Die Gefäße des künstlichen Gewebes könnten dann zeitnah nach der Operation mit den Gefäßen des umgebenden gesunden Gewebes zusammenwachsen und so die Blutversorgung des Kunstgewebes sicherstellen“, erläutert der Wissenschaftler weiter.

Mit Spezialdruckern ist es bereits heute möglich, kleine und relativ einfach strukturierte Gewebeeinheiten zu drucken. Dafür werden dem Körper Zellen entnommen, in einer Nährlösung vermehrt und mit einem 3D-Drucker in eine Trägermatrix eingebracht. Diese wird dann implantiert.

„Der 3D-Druck von lebendigem Hautgewebe könnte in fünf bis sieben Jahren klinisch Bedeutung erhalten“, sagt Finkenzeller. „Bei der Herstellung und Implantation von Knochengewebe wird es allerdings länger dauern, da dafür noch zentrale Fragen der Gewebe-Abstoßungs-Reaktion geklärt werden müssen.“  In einem ersten Schritt wird ein spezieller „BioPrinter“ gebaut.

Künstliches Knochengewebe mit angelegten Blutgefäßen. Grün: Knochenzellen; rot: Endothelzellen.(Foto: IMTEK / Universität Freiburg)

Künstliches Knochengewebe mit angelegten Blutgefäßen. Grün: Knochenzellen; rot: Endothelzellen.(Foto: IMTEK / Universität Freiburg)

„Wir können schon heute Zellen lebend und schonend  gezielt drucken“, sagt Koltay. „Jetzt müssen wir das Verfahren so anpassen, dass damit Knochenzellen und Blutgefäßzellen verarbeitet werden können und diese einen funktionsfähigen Gewebeverband bilden.“ In einem späteren Schritt erfolgt dann die Überprüfung der Methode anhand chirurgischer Modelle.

Die Möglichkeiten des 3D-Drucks – auch additives Herstellungsverfahren genannt – für die Medizintechnik scheinen unbegrenzt. So können auch Zähne, Zahnfleisch und die dazu gehörenden Nerven bereits im Drucker hergestellt werden. Noch dienen diese Produkte nur als Modelle für Zahntechniker und Kieferorthopäden.

Doch der Markt für 3D-Produkte für die Medizin wird sich bis 2025 auf ein Volumen von 867 Millionen Dollar ausweiten. Wenn die Herstellung von Nieren oder Lebern kommerziell funktioniert könnte der Markt um ein Vielfaches weiter wachsen, sagen Marktforscher IDTechEx einem Bericht des Guardian zufolge. In einer Kollaboration der Universitäten Bayreuth und Würzburg gelang es Wissenschaftlern nun, ein Hydrogel auf der Basis von Spinnenseide zu erschaffen, das die Basis für künstliche Organe aus dem 3D-Drucker dienen soll, berichtet DocCheck. Bis 2018 werden 2,3 Millionen 3D-Drucker verkauft, die meisten davon für industrielle Zwecke.

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