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3D-Druck-Scaffolds: Schnell zum präzisen Knorpel-Knochenersatz

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3D-Druck-Scaffolds: Schnell zum präzisen Knorpel-Knochenersatz

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Biphasischer Scaffold mit hierarchischer Makro- und Mikrostruktur. Die Knorpelphase (oberer Teil des Scaffolds) ist durch eine Trennschicht von der Knochenphase (unterer Teil) separiert (Bild: Multiphoton Optics GmbH)
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Für die Therapie von Knorpel-Knochen-Defekten eröffnet der 3D-Druck neue Möglichkeiten: Forschern ist es gelungen, aus bioabbaubaren Copolymeren Scaffolds herzustellen. Bei einem Volumen von 1 cm³ weisen sie Substrukturen im Mikrometermaßstab auf. Genutzt wurde die 3D-Lithographie via Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP).

Ein Verfahren, mit dem biodegradierbare 3D-Trägerstrukturen (Scaffolds) zur Geweberegeneration von Knorpel-Knochen-Schäden hergestellt werden können, hat die Multiphoton Optics GmbH (MPO) in Würzburg hat in Zusammenarbeit mit dem Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e.V. (IBA) in Heilbad Heiligenstadt entwickelt. Das Einzigartige an diesen Strukturen ist die Kombination: großvolumige Scaffolds aus bioverträglichen Copolymeren weisen eine hierarchische Strukturierung bis in den Mikrometerbereich auf. Neu ist auch die hocheffiziente monolithische Herstellung, für die die 3D-Lithographie via Zwei-Photonen-Polymerisation genutzt wurde.

Grundlage für die Umsetzung ist ein Prototyp der Multiphoton Optics 3D-Druckplattform Litho-Prof-3D. Er wurde optimiert, indem Prozessschritten innerhalb der Anlage automatisiert wurden. Darüber hinaus wurde die vom Hersteller entwickelte Steuersoftware speziell auf die Fertigung von Scaffolds angepasst. Die Plattform ermöglicht so, im Verlauf von 1,5 Stunden Scaffolds mit 1 cm³ Volumen in einem einzigen Verfahrensschritt zu drucken. Damit ist die Laserschreibzeit etwa 100 mal kürzer als bei der am IBA etablierten 2PP-Forschungsanlage – diese ist aber auch nicht an die Produktion großvolumiger Strukturen angepasst. Die technologische Weiterentwicklung bei MPO ist damit ein erster wichtiger Schritt in Richtung einer künftigen Skalierbarkeit des Verfahrens.

Scaffolds im Rahmen des Projekts Poly-Implant-Druck entwickelt

Die Entwicklung erfolgte im Rahmen des Projekts Poly-Implant-Druck, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wird. Im Projekt sollen monolithische biphasische Implantate hergestellt werden, die bei Knochen-Knorpel-Defekten die Geweberegeneration stimulieren. Die 3D-Scaffolds fungieren als mechanischer Träger sowie als bioaktives Gerüst, das den Zellen sehr gute Voraussetzungen für das Wachstum in einer dreidimensionalen Umgebung bietet. Die Partner wollen die Scaffolds auch analysieren und im Einsatz testen.

Die Struktur der Scaffolds basiert auf einem biomimetischen Design vom IBA Heiligenstadt e.V. Sie ist 10 mm hoch und hat einen Durchmesser von 7 mm. Eine 3 mm hohe Knorpelschicht und einer 7 mm hohen Knochenphase werden durch eine Trennschicht voneinander abgegrenzt. Die mechanischen Eigenschaften wie Porosität und E-Modul der jeweiligen Phasen können im 3D-Druck so angepasst werden, dass sie den echten Vorbildern von Knochen und Knorpel sehr nahekommen.

Biodegradierbare Materialien für die Scffolds aus dem 3D-Druck

Die Scaffolds bestehen aus dem biodegradierbaren Copolymer Poly-((D,L)-Lactid-co-ε-Caprolacton)-dimethacrylat (LCM3), das vom IBA Heiligenstadt e.V. entwickelt wurde. Dieses soll zukünftig durch das besser vom Körper abbaubare Copolymer Poly(Amid-co-ε-Caprolacton)-dimethacrylat (ACM) ersetzt werden.

Um den Transfer in die klinische Anwendung vorzubereiten, folgen weitere Zellbesiedelungstests sowie eine Tierstudie. Weiterhin ist geplant, dass MPO den Automatisierungsgrad der Druckplattform Litho-Prof-3D steigert und den Produktionsdurchsatz für eine Serienfertigung erhöht.

Durch individuell designte 3D-Scaffolds erschließen sich für die Zukunft auch neue Therapiewege im Rahmen der personalisierten Medizin. Mit Hilfe dieser Technologie soll die Herstellung patientenindividueller Implantate, die an den Defekt maßgeschneidert angepasst sind, revolutioniert werden. Die Vorteile liegen auf der Hand: optimale Therapie für den Patienten, weniger operative Eingriffe und geringere Kosten im Gesundheitswesen.

Über Multiphoton Optics GmbH:
Die 2013 als Spin-off aus dem Fraunhofer ISC gegründete Multiphoton Optics GmbH mit Sitz in Würzburg ist ein Lösungsanbieter für 3D-Lithographie via Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP). Mit dieser Technologie können komplexe funktionale Strukturen für die Mikrooptik und Mikrosystemtechnik hergestellt werden, auch Lösungen für die optische Verbindungstechnik, Mikromechanik und Biomedizintechnik sind machbar. Die modular aufgebaute 3D-Druckplattform Litho-Prof-3D-GSII ermöglicht mit ihrem hohe Durchsatz, komplexe Strukturen in einem einzigen Prozessschritt präzise zu fertigen.
https://multiphoton.de

Über das Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e.V. (IBA):
Das IBA ist ein außeruniversitäres Forschungsinstitut des Freistaates Thüringen und seit 2013 An-Institut der TU Ilmenau. Das interdisziplinäre Forschungsprofil „Biotechniques at Interfaces“ vereint Life-Science-Forschung mit den Ingenieurwissenschaften. Die Forschung ist auf das Engineering von Biointerfaces ausgerichtet und fokussiert insbesondere auf 3D-Zellkulturtechniken und deren Anwendung im Bereich des diagnostischen (Disease Modeling) und therapeutischen Tissue Engineerings (Geweberegeneration). Das Leistungsspektrum reicht von der numerischen Modellierung über die Etablierung entsprechender in vitro-Test- und Kultivierungsverfahren bis hin zur Entwicklung klinischer Therapieoptionen. Für das hier relevante Matrix-Engineering werden unter anderem innovative 3D-Druckverfahren wie die 2PP eingesetzt.
Prof. Dr. Klaus Liefeith
Leiter Fachbereich Biowerkstoffe
E-Mail: klaus.liefeith@iba-heiligenstadt.de
www.iba-heiligenstadt.de


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