Bisher gab es zwei unterschiedliche Ansätze, Gewebe in künstlichem Milieu via Tissue Engineering wachsen zu lassen. An der TU Wien entwickelte man nun einen dritten, mit dem man die Vorteile beider Varianten verbindet. Der 3D-Druck spielt dabei eine Rolle.
Es ist ein Wunschtraum für Mediziner: Wenn man aus Stammzellen künstliches Gewebe in beliebiger Form herstellen könnte, ließen sich Verletzungen mit körpereigenen Zellen heilen – eines Tages könnte man vielleicht sogar künstliche Organe herstellen. Allerdings ist es schwierig, Zellen auf die gewünschte Weise in die gewünschte Form zu bringen. Die Methoden, die es bisher dafür gab, lassen sich in zwei Kategorien einteilen: Entweder man erzeugt zunächst kleine Gewebebausteine, etwa runde Zellagglomerate oder flache Zellblätter, und fügt sie dann zusammen. Oder man fängt mit einem porösen Gerüst an, auch „Scaffold“ genannt, auf dem die Zellen kultiviert werden. Beide Ansätze haben Vor- und Nachteile.
3D-Druck basierter dritter Weg für das Tissue Engineering
An der TU Wien gibt es nun einen dritten Weg: Mit einer speziellen, laserbasierten 3D-Druck-Technik können Mikrogerüste mit einem Durchmesser von weniger als ein Drittel Millimeter hergestellt werden. Sie können sehr schnell Tausende von Zellen aufnehmen. So ist von Anfang an eine hohe Zelldichte vorhanden. Trotzdem lassen sich Form und mechanische Eigenschaften der Struktur flexibel anpassen.
„Die Scaffold-basierten Ansätze, die man bisher entwickelt hat, haben große Vorteile“ , sagt Dr. Olivier Guillaume. Er forscht an der TU Wien im Team von Prof. Aleksandr Ovsianikov am Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie. Wenn man zunächst ein poröses Gerüst herstelle, ließen sich dessen mechanische Eigenschaften genau festlegen. „Das Gerüst kann je nach Bedarf weich oder hart sein, es besteht aus bioverträglichen Materialien, die im Körper wieder abgebaut werden. Sie können sogar gezielt mit Biomolekülen versehen werden, die die Gewebebildung fördern.“
Beim Tissue Engineering kommt es auf die Besiedelung mit Zellen an
Der Nachteil sei allerdings, dass es schwierig ist, ein solches Gerüst mit Zellen schnell und vollständig zu besiedeln. Hier ist heute noch viel händische Arbeit nötig, auch wenn bereits an automatisierten Prozessen geforscht wird. Vor allem bei großen Gerüsten dauert es lange, bis die Zellen ins Innere der Struktur hineingewandert sind. Oft bleibe die Zelldichte sehr gering und die Verteilung ungleichmäßig.
Ohne Gerüst lassen sich einfach kleine Zellagglomerate züchten, die man dann in der gewünschten Form aneinanderfügt, sodass sie miteinander verwachsen. Bei dieser Technik ist die Zelldichte von Anfang an hoch, aber man hat kaum Möglichkeiten, den Prozess zu steuern. So kann es etwa passieren, dass die Zellkügelchen ihre Größe oder ihre Form ändern und das Gewebe dadurch am Ende andere Eigenschaften hat als gewünscht.
Lebende Zellen treffen auf hochauflösendes 3D-Druckverfahren
„Uns ist es nun gelungen, die Vorteile beider Ansätze miteinander zu verbinden – und zwar mit einer extrem hochauflösenden 3D-Druck-Methode, an der wir hier an der TU Wien schon seit Jahren forschen“, sagt Prof. Aleksandr Ovsianikov. Bei dieser Technik, der Zwei-Photonen-Polymerisation, verwendet man ein lichtempfindliches Material, das mit einem Laserstrahl genau dort ausgehärtet wird, wo es erwünscht ist. So lassen sich Strukturen mit einer Genauigkeit im Bereich von weniger als 1 µm herstellen.
3D-Druck-Scaffolds: Schnell zum präzisen Knorpel-Knochenersatz
Mit dieser Laser-Methode werden nun filigrane, hochporöse Mikrogerüste erzeugt, mit einem Durchmesser von knapp einem Drittel Millimeter. Je nach Design dieser Mikrogerüste lassen sic schnell Zellagglomerate im Inneren erzeugen. Gleichzeitig sind die Zellen vor äußerer mechanischer Beschädigung geschützt, ähnlich wie der Rallyefahrer durch einen Überrollkäfig des Rennwagens.
„Diese zellgefüllten Gerüste sind relativ leicht zu handhaben und können miteinander verwachsen“, erklärt Oliver Kopinski-Grünwald, der ebenfalls im Team von Prof. Ovsianikov forscht. „Wenn viele dieser Einheiten zusammengebracht werden, kann man in kurzer Zeit große Gewebekonstrukte mit einer hohen Ausgangszelldichte herstellen. Trotzdem können wir die mechanischen Eigenschaften der Struktur gut kontrollieren.“
Knorpel und Knochen als erste Zielgewebe für das Tissue Engineering
Das Konzept, das dieser neuartigen Tissue-Engineering-Strategie zu Grunde liegt, haben die Forscher bereits 2018 ausführlich präsentiert. „Wir konnten nun zeigen, dass die Methode tatsächlich die Vorteile liefert, die wir uns erhofft haben“, sagt Aleksandr Ovsianikov. „Wir haben für unsere Experimente Stammzellen verwendet, die nach Belieben dazu gebracht werden können, entweder Knorpel- oder Knochengewebe zu produzieren.“ Dabei verwuschen die Zellen aus benachbarten Gerüst-Einheiten miteinander und bildeten tatsächlich ein gemeinsames Gewebe bilden. Die Form der Struktur blieb dabei erhalten. „In Zukunft könnten diese mikrogerüstbasierten Gewebe-Einheiten sogar injizierbar gemacht werden, um sie in der minimal-invasiven Chirurgie einzusetzen.“
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Dr. Olivier Guillaume
Institut für Werkstoffwissenschaften und Werkstofftechnologie
Technische Universität Wien
E-Mail: olivier.guillaume@tuwien.ac.at
Prof. Aleksandr Ovsianikov
Institut für Werkstoffwissenschaften und Werkstofftechnologie
Technische Universität Wien
E-Mail: aleksandr.ovsianikov@tuwien.ac.at
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